книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

/

2

J

Рис. 7 Разрывные деформации нижних слоев пород кровли при разработке пластов лавами:

J — трещина усадки; 2 — основная кровля; 3 — слои пород непосредственной кровли

нагрузкам в связи с подвиганием фронта очистных работ, часто начинают через определенные расстояния возникать трещины (трещины оседания) и отделя­ ющиеся породные блоки создают мгновенное увеличение нагрузки (периодиче­ ское горное давление). При этом стойки крепи, стоящие перед линией обруше­ ния, будут нести нагрузку от веса породных блоков, высота которых значи­ тельно превышает высоту блоков, поддерживаемых при выемке с закладкой (рис. 7).

При разработке горизонтально залегающих пластов в настоящее время преобладают системы выемки с обрушением кровли, при разработке же на­ клонных и крутых пластов обычно предпочитают системы с закладкой вырабо­ танного пространства — чаще всего применяется так называемая самотечная закладка на диагональный откос закладочного материала или закладка по­ родой, доставляемой по трубам. Заполнение закладочным материалом про­ изводится не сразу по всей длине забоя, а по отдельным участкам, причем порода в выработанном пространстве не слишком расслаивается по крупности частиц. Благодаря неизбежному при закладочных работах разрыхлению степень заполнения закладкой при крутом падении выше, чем при горизонтальном или пологом. Кроме того, при крутом падении не образуются пустоты между закладкой и кровлей и в толще закладки. Однако в крутопадающей выработке плотность закладки под действием' ее собственного веса возрастает только в верхней части поля шириной до 20 м, непосредственно под вентиляционным штреком; в средней и нижней частях поля она остается неизменной, поскольку здесь большая часть нагрузки от закладки передается за счет трения породам висячего и лежачего бока (силосный эффект). Кроме сопротивления закладки деформированию на величину конвергенции оказывает влияние также соста­ вляющая горного давления по нормали к напластованию, которая в условиях

крутого падения уменьшается в зависимости от угла падения пласта а и при­ ближенно по теории упругости составляет

и т — коэффициент бокового расширения для пород угленосной толщи, рав­ ный приблизительно 5 (т = 1/р,, где \i — коэффициент Пуассона).

Исходя из того, что при горизонтальном залегании пласта для глубины 800 м общая конвергенция закладки составляет около 50% М, можно считать, что при наклонном и крутом залегании пласта (для той же глубины разработки) суммарная конвергенция в зоне опорного давления и в призабойном простран­ стве, при горизонтальном залегании равная 20% Af, уменьшится и для углов падения а = 27, 36, 45° и более составит соответственно 15,10 и 5% вынимаемой мощности. Зазор между закладкой и кровлей, составляющий при а = О 15% высоты закладки, для указанных углов падения уменьшится соответственно до 10, 5 и 0%, а уплотнение закладки от давления пород кровли, равное при а = 0 14% высоты закладки, уменьшится до 12, 8 и 6%. Если при этом еще учесть изменение нормальной к напластованию составляющей горного давле­ ния [формулы (5) и (6)] и вычислить конвергенцию по формуле (4), то полу­ чатся данные, приведенные в табл. 2 [210].

Из этого следует, что при разработке пластов наклонного и крутого за­ легания с закладкой слои пород кровли должны прогибаться в значительно меньшей степени, чем при горизонтальном залегании.

Если построить обобщенный график распределения вертикальной соста­ вляющей смещений пород кровли на всем протяжении от зоны опорного давле­ ния до выработанного пространства, то получим S-образную кривую, вы­ пуклую над зоной опорного давления, почти прямолинейную над призабойным пространством и вогнутую над закладкой (см. рис. 5). Примерно так же вы­ глядит кривая оседания пород основной кровли при выемке с обрушением (см. рис. 7), однако над выработанным пространством породы оседают на боль­ шую величину, чем при выемке с закладкой — округленно на 0,9 м. К сожа­ лению, подобного рода точные наблюдения за процессом сдвижения в кровле разрабатываемого пласта или непосредственно над ним в слоях пород основной кровли, несмотря на их большое значение для изучения закономерностей сдвижения горных пород, производятся крайне редко, так как после погаше­ ния штрека, пройденного в середине лавы, доступ к выработанному простран­ ству чаще всего оказывается невозможным и для установки дистанционных датчиков взамен утраченных необходимы дополнительные затраты на прове­ дение специальных выработок. При разработке с обрушением кровли это

затрудняется еще и тем, что оседание нижних слоев основной кроЕли может быть измерено только в выработке, пройденной вплотную над обрушенным простран­ ством, а если даже такая выработка имеется, то она, как правило, оказывается заваленной при подработке. Поэтому измерения над очистной выработкой, проводимой с обрушением кровли, начинаются не ближе чем в 50 м и более по нормали к напластованию, т. е. уже за пределами непосредственной кровли. Кроме того, вокруг выработки создается зона нарушенных пород (так назы­ ваемая зона Тромпетера), и наблюдательные точки должны находиться за ее пределами, чтобы на них не отразилось влияние сдвижения в этой зоне. Обычно размер нарушенной зоны составляет не менее 7 м, и поэтому наблюдательные точки должны закрепляться при помощи глубинных реперов (например, в видепружинных колец) в достаточно глубоких скважинах, а наблюдения за их смещениями должны производиться при помощи теодолита. В скважинах, пробуренных отвесно вверх, вертикальные и горизонтальные смещения можно измерять по перемещениям груза, подвешенного к закрепленному в скважинереперу.

Для обрушенного материала, состоящего из крупных глыб породы, упав­ ших с высоты от 2 до 6 м при обрушении непосредственной кровли, нет данных о зависимости конвергенции от давления, однако можно априорно утверждать, что несущая способность такого обрушенного материала при начавшемся оседании породных слоев основной кровли должна быть значительно меньше, чем при полной закладке. В середине выемочного поля, где первоначальной горное давление от веса пород покрывающей толщи полностью восстанавли­ вается и породы основной кровли оседают на величину, равную 90—95% вы­ нимаемой мощности пласта, остаточное разрыхление обрушенных пород в на­

правлении перпендикулярно к напластованию не превышает нескольких процентов.

Из известных наблюдений [137], усредненные результаты которых по­ ложены в основу приведенных на рис. 8 кривых оседания слоев пород основной кровли, можно видеть, насколько различным может быть характер кривых оседания непосредственной кровли при выемке с закладкой или оседания

Ч ^

Скорость корВергенции, м/сут

Рис. 8.

Кривые прогиба непосредственной кровли при разработке с закладкой выработанного про­ странства (а) и основной кровли при разработке с обрушением кровли (б); а — кривая изме­ нения скорости конвергенции в очистной выработке:

7 — зона опорного давления; II — выработанное пространство, заполненное закладкой; сплошная линия — песчаник; пунктирная линия — глинистый сланец

основной кровли при выемке с обрушением в зависимости от того, сложены ли слои этих пород крепким песчаником или слабым глинистым сланцем, а также от того, находится ли процесс сдвижения в конечной или в промежуточной стадии развития. При кровле, сложенной песчаником (кривая а), процесс сдви­ жения в конечной стадии распространяется на расстояние до 100 м впереди забоя, а полное уплотнение закладки происходит примерно на таком же расстоянии

зависит в основном от глубины разработки и изгибной жесткости слоев пород кровли.

В соответствии с формулой (2) воспринимаемое слоями пород непосред­ ственной или основной кровли давление от веса пород покрывающей толщи зависит от глубины работ. Чем больше глубина горных работ, тем больше горное давление в зоне впереди забоя и на закладку и тем больше соответ­ ственно прогибаются породные слои кровли.

Обладающая большой изгибной жесткостью кровля, мало прогибающаяся под действием нагрузки от подработанной части массива горных пород, обра­ зует широкую зону опорного давления. Кровля, сложенная породами малой прочности, в большей степени прогибается под действием горного давления и почти полностью передает нагрузку на основание, т. е. на почву пласта. Для изгибной жесткости N слоя горных пород определяющими являются

где / — момент инерции площади сечения слоя.

Наличие в породе трещин снижает изгибную жесткость породного слоя. На величину конвергенции влияют свойства основания, на которое опи­

рается кровля.

Малая податливость основания препятствует прогибу слоев кровли и пере­ распределению горного давления. При наличии жесткой, быстро восприни­ мающей нагрузку закладки можно избежать возникновения высокого опор­ ного давления впереди очистного забоя. Сопротивление крепи, и в особенно­ сти так называемое «запаздывание» крепления, оказывает влияние на конвер­ генцию в призабойном пространстве. Горизонтальный распор породных бло­ ков непосредственной кровли ослабевает, если поддерживающие кровлю верх­ ние секции механизированной шагающей крепи отстают от очистного забоя на расстояние более 25 см. Если кровля в призабойном пространстве не была •своевременно поддержана установкой крепи, породные блоки непосредствен­ ной кровли могут смещаться вниз по поверхностям трещин.

О несущей способности закладки или обрушенного материала можно судить по пористости используемой для этого породы и по ее прочности на сжатие: пористость закладочного материала уменьшается с уменьшением размера слагающих этот материал частиц. Применение в качестве закладочного мате­ риала крепких пород повышает сопротивляемость закладки деформированию.

Процесс сдвижения зависит от мощности разрабатываемого пласта и от вы­ соты слоя закладки. Прогибающиеся слои пород кровли обжимают угольный пласт и закладку и тем самым увеличивают поддерживающие силы основания, возрастающие по мере увеличения прогиба кровли, подобно тому, как воз­ растает сопротивление спиральной пружины с увеличением действующего на нее сжимающего усилия. Чем больше мощность пласта или высота слоя закладки, тем больше должны прогнуться слои кровли, прежде чем основание

уплотнится настолько, чтобы быть способным поддержать их. Так, например, при давлении на закладку, равном 500 Н/см2, слои кровли при высоте закладки 2 м должны опуститься на 100 см, а при высоте закладки 1 м — только на 50 см, чтобы достичь конвергенции закладки, составляющей 50% ее мощности (см. рис. 6).

Таким образом, слои кровли прогибаются тем больше, чем больше высота очистной выработки или мощность разрабатываемого пласта.

Ширина предзабойного пространства и размеры выемочного участка влияют на процесс сдвижения. Чем больше ширина выработанного простран­ ства (и в том числе призабойного пространства), тем больше прогиб кровли. Эту зависимость можно сравнить с закономерностью прогиба упругой балки — величина прогиба в середине балки пропорциональна третьей степени длины ее свободного пролета Z, т. е.

Процесс сдвижения зависит также от скорости подвигания очистных работ и от продолжительности работ по выемке угля, в течение 1 сут. Слои кровли могут опускаться лишь до тех пор, пока поддерживающее их основание (пласт, забойная крепь или закладка) способно проявлять податливость. Этот процесс осадки основания зависит от времени, поскольку осадка про­ исходит не сразу после приложения нагрузки, а постепенно, после того как будет перейден предел прочности или преодолено сопротивление трения. Такое замедление процесса конвергенции приводит к тому, что породы кровли впе­ реди и позади быстро продвигающегося очистного забоя могут опускаться весьма медленно, причем, чем быстрее движется фронт очистных работ, тем более пологой получается линия прогиба слоев кровли. Подобным же образом влияет на процесс оседания кровли продолжительность выемочных работ.

и сжатие угольного пласта. В результате за это время слои кровли успевают опуститься на большую величину и приобрести больший наклон в сторону

апрогиб слоев кровли происходит несколько медленнее. Значительного пу­ чения пород почвы можно ожидать на больших глубинах в зонах разгрузки,

атакже в случаях, когда слои почвы сложены породами, склонными к набу­ ханию и к деформациям упругого восстановления.

При работах с полным обрушением кровли величина конвергенции суще­ ственно зависит от склонности пород непосредственной кровли к хрупкому

разрушению. Конвергенция в зоне опорного давления в призабойном простран­ стве может достигать значительных величин, если обрушение непосредственной кровли происходит без задержки, сразу же за подвигающимся забоем. Свежеобрушенный материал сначала мало сопротивляется нагружению, так что слои основной кровли более сильно поддерживаются краевой зоной пласта. Однако с увеличением расстояния, при котором происходит консольное зави­ сание непосредственной кровли в выработанном пространстве (до 5 м и более), породы кровли сжимают угольный пласт и под действием нагрузки от веса пород покрывающей толщи зависшая кровля прогибается подобно балке, зажатой одним концом в зоне опорного давления, причем прогиб возрастает пропорционально третьей степени длины консоли. Отставание закладки способ­ ствует пучению почвы в выработанном пространстве.

Профиль оседающих слоев кровли над остановленным забоем тем скорее

с влиянием других горномеханических и геометрических факторов достаточно сложна.

Насколько различным может быть ход процесса оседания кровли, можно видеть из результатов измерений мощности закладки в штреках, которые -были заново пройдены по выработанному пространству через несколько лет после прекращения очистных работ [390]. Из рис. 9—11 можно видеть, что фактическое оседание слоев кровли вследствие влияния различных местных факторов может сильно отличаться от идеальной S-образной кривой, пока­ занной на рис. 12. У движущегося очистного забоя (см. рис. 9) кривая оседа­ ния кровли идет в виде очень пологой кривой до точки, находящейся в 64 м позади забоя. После остановки забоя происходит заметное оседание кровли примерно на 20 см. Иначе ведет себя кровля у неподвижного забоя (см. рис. 10),

на нее полную нагрузку от веса пород покрывающей толщи. Произведенное впоследствии измерение в середине выемочного поля показало дополнитель­ ное оседание только на небольшую величину — от 4 до 14 см. Таким образом, кривая опускания кровли со стороны неподвижного забоя несимметрична кривой у движущегося забоя. В конечной стадии процесса сдвижения оседание

половины , кривая оседания кровли образует как бы п орог вы сотой более 30 см, что соответствует примерно 30% максимального оседания. Смещение м акси ­ мума оседания кровли к краевой зоне очистной вы работки, наблю даю щ ееся в пределах участка, отработанного в 1940 г ., связан о, по-видимоМУ, с падением

Рис. 9.

Конвергенция в очистной выработке у движущегося (добычного) забоя по данным натурных наблюдений [390]:

Рис. 10.

П а д е н и й Г” зВ9 о Г СТИОЙ выработке у неподвижного (исходного) забоя по данным натурных

Рис. 12.

Прогиб упругой балки ш, заделан­ ной по обоим концам, при разных нагрузках

пласта, а в пределах участка, отработанного в 1942 г., — с изменением спо­ соба закладки. Увеличение оседания кровли в нижней половине участка при­ мерно на 5% М при наклонном или крутом падении пласта показали также результаты экспериментов на моделях [210]. Увеличение нормальной к на­ пластованию составляющей горного давления в направлении падения пласта смещает точку наибольшего прогиба, абсцисса которой при горизонтальном

ные или синклинальные складки в поле очистных работ, также оказывает влияние на конвергенцию — места наименьших оседаний кровли совпадают с осями синклинальных складок (рис. 13), а оси антиклинальных складок проходят между точками максимальных и минимальных оседаний кровли [136].

Выполненные в подземных условиях измерения конвергенции не позволили установить отчетливую взаимосвязь между величиной оседания кровли в сере­ дине выемочного участка и скоростью подвигания очистных работ или свой­ ствами вмешающих угольный пласт пород. При ручной закладке выработан­ ного пространства отмечалось увеличение значения максимального оседания кровли в конечной стадии процесса сдвижения на 3,6% при увеличении глу­ бины разработки от 400 до 800 м и на 5,6% при изменении ширины выемочного участка от 150 до 300 м, однако при других способах закладки о такой зави­ симости можно говорить лишь предположительно. Максимальное оседание кровли в середине выемочного участка при глубине разработки 750 м соста­ вляет приблизительно 50%М при пневматической закладке выработанного пространства и 95%М при выемке с обрушением кровли [390].

При разработке с о л я н ы х м е с т о р о ж д е н и й камерной системой при величине выемочного участка 300 X 400 м породы кровли начинают осе­ дать. как целая плита. Ранее считалось, что над выемочным участком в этом случае образуется поддерживающий породы налегающей толщи свод давления', опирающийся на внешние целики или на нетронутую часть соляного пласта

иразгружающий внутренние целики, однако позднейшими исследованиями

[77]это предположение не подтвердилось. Образование отдельных сводов давления, воспринимающих часть нагрузки от веса покрывающей толщи,

наблюдается лишь в начальной стадии очистных работ. Фактически целики в середине выемочного поля, обладающие небольшой площадью сечения в плане