книги / Механика горных ударов и выбросов

имеет и уровень разгрузки, принимаемый при нахождении границ зоны. В экспериментах он определяется точностью измерительных приборов: при аналитических расчетах зону разгрузки очерчивают по точкам, в которых нормальные напряжения на 5% меньше на­ пряжений нетронутого состояния.

Разгрузка способствует расслоению пород кровли, проскальзы­ ванию на контактах надработанных и особенно подработанных слоев, появлению и раскрытию трещин, нормальных к напластова­ нию и не всегда совпадающих с трещинами, имевшимися в нетро­ нутом состоянии.

Эти процессы зачастую столь интенсивны в породах кровли, что в ближайших к выработке ее слоях возникает зона беспорядочного обрушения, в которой породы разделяются на глыбы, сильно раз­ рыхляются и создают подпор для прогибающихся слоев кровли и почвы. Высота этой зоны (если она образуется) невелика и, как правило, не превышает четырех — шести-кратной мощности выни­ маемого слоя. Иногда обрушения пород вообще не происходит. Это имеет место, во-первых, для очень прочных пород рудных за­ лежей; во-вторых, когда ширина выработанного пространства не­ достаточна для обрушения пород кровли, и, в-третьих, когда при весьма малой мощности пласта создаются условия для плавного сближения боковых пород на некотором расстоянии позади очист­ ного забоя. Плавное сближение происходит главным образом при разработке угольных пластов мощностью меньше 1 м и вовсе не означает, что слои кровли сохраняют неизменным сцепление,— они могут отслаиваться и проскальзывать друг по другу. Над зо­ ной обрушения толща пород на высоту, равную 20—30-кратной мощности отрабатываемого слоя, подвергается трещинообразованию, связанному со значительными изменениями прогибов.

Зона полных сдвиоюений располагается в кровле и характери­ зуется тем, что породы в ней получили опору на почве вынимае­ мого слоя (рис. 37). Она весьма рельефно выделяется при боль­ ших размерах очистных выработок, когда эта зона простирается вплоть до земной поверхности, и проявляется в специфических оседаниях последней — образовании, так называемого, «плоского дна» мульды сдвижения (линия ВС на рис. 37,в). Границы зоны образуются плоскостями, проходящими вблизи краев выработки под углами фз к ее почве, составляющими в зависимости от свойств пород 55—65°. При наклонном залегании (рис. 37) вводятся ана­ логичные углы фх (со стороны падения) и фг (со стороны восста­ ния). Внутри зоны полных сдвижений слои располагаются парал­ лельно плоскостям своего естественного залегания, но испытывают деформации расширения, обусловленные разгрузкой и разуплотне­ нием на контактах вследствие относительного смещения. Прогибы слоев кровли, охватываемых зоной полных сдвижений, за ее пре­ делами уменьшаются от максимальных значений в обсуждаемой зоне до сравнительно небольших величин над нетронутыми частя­ ми пласта. Изменение прогибов вблизи от выработки происходит довольно резко и способствует упоминавшемуся возникновению и

росту трещин перпендикулярно к растягиваемым волокнам.. Этиг процессы затухают по мере удаления от выработки.

Часть массива пород в пределах области влияния очистной выработки, в которой нормальные к ее плоскости напряжения больше, чем в нетронутом массиве, называется зоной опорного дав­ ления. Возникновение этой зоны является следствием того, что на краевые части пласта угля (или пород) передается вес подрабо­ танных пород, не получивших опоры на почве выработки. В этой области на современных глубинах разработок возникает значи­ тельное сжатие, которое приводит к необратимым деформациям в краевых частях около выработок. Как правило, деформации:

РИС. 37. Развитие зоны полных сдвижений при горизонтальном и наклонною залегании:

область условно называется зоной пр&дельно-напряженного состоя­ ния или просто зоной предельного состояния. Ее образование опре­ деляет особенности поведения призабойной части отрабатываемого слоя и опасность динамических явлений. В ней материал проходит все стадии деформирования — от значительного всестороннего сжа­ тия на границе с зоной упругих деформаций до сильного разрых­ ления вблизи от обнажения, проявляющегося обычно в виде обра­ зования зоны отжима. Разрыхление обусловлено двумя причинами: подвижками по неровным поверхностям структурных элементов и ростом и раскрытием трещин, параллельных обнаженной поверх­ ности. Первый эффект зачастую является решающим в шахтных условиях — основные необратимые деформации, как показывают специальные исследования [47], происходят по природным снсте-

мам трещин в угольных пластах. При этом на выступах шерохова­ тых поверхностей трещин возникают локальные концентрации на­ пряжений, приводящие к смятию и истиранию выступов и «оплы­ ванию» структурных элементов. Второй из упомянутых эффектов (рост и раскрытие трещин, параллельных обнаженной поверх­ ности) может проявляться непосредственно у забоя. За областью сильного разрыхления у обнажения, в более удаленных точках, но до зоны значительного всестороннего сжатия, могут образовывать­ ся участки уплотнения, служащие в газоносных угольных пластах своеобразными барьерами для фильтрации газа.

Нахождение границ зоны предельного (запредельного) состоя­ ния представляет важную для практики задачу, решение которой дает необходимые сведения о подготовительной стадии динамиче­ ских явлений. Ее подробное изучение проводится в следующем подразделе. Здесь же рассмотрим те данные о поведении подра­ ботанных и надработанных пород, которые служат исходными для последующего изложения.

Подработанные породы. Породы, расположенные выше очист­ ной выработки, называются подработанными. Они характеризуют­ ся тем, что в них направление силы тяжести согласуется с на­ правлением смещений. Это приводит к тому, что в слоистом мас­ сиве при слабом сцеплении на контактах слои непосредственной кровли оказываются в положении плит, консолей, балок, находя­ щихся под действием собственного веса. Как правило, слои разби­ ты трещинами (естественными или образующимися при разработ­ ке) на блоки, и при увеличении ширины выработки эти блоки по­ ворачиваются и смещаются относительно друг друга в совместном движении в выработанное пространство. Из сопротивления мате­ риалов известно, что в каждом поперечном сечении балки или кон­ соли с одной стороны от нейтральной оси действует растяжение,

.а с другой — сжатие. Поэтому трещины между блоками слоя с одной его стороны, испытывающей растяжение, раскрываются. На противоположной, сжатой стороне слоя происходит взаимодей­ ствие блоков и образуются своеобразные шарниры. Области растя­ жения и раскрытия трещин могут быть как на верхней, так и на нижней стороне слоя. Соответственно шарниры образуются на ниж­ них и на верхних сторонах. Даже при отсутствии природных секу­ щих трещин слабое сопротивление большинства горных пород рас­ тяжению приводит к росту первоначально малых трещиноподобных дефектов и развитию описанного процесса.

При достаточно большой ширине выработки и достаточной мощ­ ности вынимаемого слоя происходит полное смятие шарниров. Си­ стема блоков кровли превращается в шарнирный механизм и ока­ зывается способной к обрушению. Тем самым создаются условия для роста прогибов в следующем слое, и процесс имеет возмож­ ность распространяться в породы кровли. При этом пролет каж­ дого следующего слоя меньше, чем предыдущего, и растягивающие напряжения и раскрытие трещин уменьшаются. В конечном счете, породы, подвергшиеся наиболее активному сдвижению, оказывают­

ся ограниченными некоторой поверхностью. Ее сечению (см. рис. 37,а) отвечает контур ЛВС. Соответствующая область и явля­ ется зоной полных сдвижений. При дальнейшем развитии очистных работ аналогичный процесс воспроизводится у движущегося края; выработки (у забоя), и зона полных сдвижений увеличивается, со­ храняя в значительной степени геометрическое подобие. Пока она не выйдет на земную поверхность, говорят о неполной подработке- (см. рис. 37,а).

Некоторому пролету выработки соответствует выход зоны пол­ ных сдвижений на земную поверхность (см. рис. 37,6). С дальней­ шим развитием очистных работ образуется упоминавшееся вышеплоское дно мульды сдвижения (линии ВС на рис. 37,в). В этом случае говорят о полной подработке.

Угол фз, характеризующий геометрическое подобие описанной схемы сдвижения, называется углом полных сдвижений, а тре­ угольники (трапеции), ограниченные прямыми, проходящими под углами фз, называются треугольниками (трапециями) полных сдвижений. На рис. 37 они представлены фигурами АВС.и ABCD. В пространственном случае для прямоугольной в плане выработки возникает пирамида или усеченная пирамида полных сдвижений,, ограниченная плоскостями, проходящими под углами ф3 к поверх­ ности выработки. При наклонном залегании, как упоминалось, на разрезе вкрест простирания (см. рис. 37) вводятся еще два угла полных сдвижений — % и ф2.

Породы, попавшие в зону полных сдвижений, полностью пере­ дают свой вес на почву выработки. Если бы напряжения на почве создавались только этим весом, то в случае горизонтального зале­ гания они определялись бы следующими формулами:

где х0— половина ширины выработки.

Правые части этих формул согласно рис. 37 по абсолютной ве­ личине выражают вес вертикального столбика пород единичного-

ния нагрузок обстоятельством, что соприкасание пород кровли и почвы про­ исходит не сразу у линии забоя, а на некотором (обычно небольшом) расстоя­ нии от него. Для выработок малой ширины давление на почву само по себе пренебрежимо мало, а для больших пролетов невелико свободное пространство' у забоя.

мощности отрабатываемого слоя. Так, до глубин 600 м угол срз= = Ф зо составляет 64—69° при изменении мощности слоя от 0,7 до 8 м, т. е. на порядок. Подобная универсальность является полез­ ным свойством углов давления, но она имеет все же свои границы.

Дело в том, что описанный процесс сдвижения подработанных пород реализуется только тогда, когда мощность вынимаемого слоя 2h достаточна для последовательного полного развития про­ гибов каждого из вовлекаемых в движение слоев. Понятно, что при малой величине 21г ничего подобного не происходит. В пределе при h, стремящемся к нулю, вообще не образуется зоны полных сдвижений, и давление на почве горизонтальной выработки вовсе не отличается от yli. Восстановление нагрузок происходит непо­ средственно у забоя, т. е. L3=0, и согласно (4.7) <рз=90°.

РИС. 39. Давление подработанных пород на почву выработки при выемке на­ клонного пласта:

а — частичное восстановление нагрузок; б — полное восстановление нагрузок в середине вн* работки; / — напряжения в нетронутом массиве; 2 — давление на почву выработки

Существует некоторое критическое значение 2А0, уменьшение ниже которого мощности слоя приводит к резкому изменению в условиях сдвижения, к возрастанию углов давления и уменьше­ нию расстояния от забоя, на котором нагрузки восстанавливаются до уровня нетронутого состояния. Определение 2Ло представляет серьезную экспериментальную задачу, имеющую большое значение для теории динамических явлений и ее приложений к расчету границ защищенных зон, т. е. зон вокруг выработки, в которых этих явлений не происходит.

Оценка величины 2А0 дается формулой [58]

(4 .8 )

где 6к — коэффициент, характеризующий относительное разуплот­ нение на контактах слоев в зоне сдвижений, необходимое для взаимного проскальзывания слоев друг по другу (0^2*10-3). Пер­ вое слагаемое в правой части (4.8) определяет общее расширение

слоев из-за разуплотнения, а второе слагаемое — упругое расшире­ ние пород.

Сказанное остается справедливым й для разреза вкрест прости­

Нормальные напряжения на почве выработки по углам давле­ ния определяются формулами [58] :

при \ъунХ>\ау\\

*i, Х2— координаты точек, в которых давление на почву выработ^ ки достигает значений аун; имевших место до ее проведения (см. рис. 39).

При горизонтальном залегании а = 0 ; ф1= ф 2=фз; <т»н=—уН.

Тогда х = 0 , .vi=—Jc2= — (хо—L3), и формулы (4.10) с учетом (4.12)

приобретают вид формул (4.6).

При использовании закладки выработанного пространства роль вынимаемой мощности играет эффективная мощность, которая за­ висит от величины относительной усадки Ôy закладочного материа­ ла, обжатия пласта на кромке vKи опускания кровли над кромкой

В формуле (4.9) в случае применения закладки необходимо 2h заменить на 2/i3.

Отметим здесь альтернативный подход к учету закладки, в ко­ тором влияние закладки изучается на основе допущения о том, что смещения кровли и почвы выработки могут быть описаны теорией линейной упругости [28, 29]. Понятно, что это допущение оправ­ данно лишь для очень прочных и однородных массивов, в которых эффекты расслоения и отслоения либо вовсе отсутствуют, либо не дают смещений, соизмеримых со смещениями в упругой среде. Для угольных массивов подобная предпосылка, очевидно, не выполняв ется — отслоения и расслоения дают смещения, как минимум, соиз­ меримые со смещениями упругого расширения, а зачастую их вклад является решающим в формировании нагрузок на почву вы­ работки или на закладку. Поэтому расчеты, основанные на смеще­ ниях подработанных пород, в принципе не могут приводить к пра­ вильным количественным данным о нагрузках (достаточно1заме­ тить, что погрешность в определении нагрузок для линейно дефор­ мируемой закладки пропорциональна погрешности в смещениях). Введение же эмпирических поправок неизбежно должно основы­ ваться на экспериментальных данных о фактических нагрузках на закладку, т. е. приспособление схемы упругого взаимодействия к реальным условиям сводится, в сущности, лишь к иной по срав­ нению с (4.6) аппроксимации фактических нагрузок. Естественно, что такая аппроксимация всегда сложнее, чем простейшая линей­ ная зависимость (4.6). Необходимость в подобном усложнении, судя по упоминавшимся экспериментальным данным о фактических нагрузках, во многих случаях отсутствует. В тех же могущих встретиться в будущем случаях, когда линейной зависимости (4.6)

окажется недостаточно, нетрудно уточнить ее, добавив квадратич­ ный, а если потребуется, кубический (или любой иной) член в пра­ вую часть на основе дополнительных экспериментальных данных. Тем не менее следует специально отметить, что упомянутый под­ ход представляется весьма полезным для выяснения некоторых качественных зависимостей, отражающих влияние закладки, по­ скольку улавливает тенденции в изменении нагрузок при значи­ тельном уменьшении эффективной мощности отрабатываемого слоя

и дает наводящие соображения по выбору эмпирических соотноше­ ний, описывающих данные о реальных нагрузках.

При отсутствии взаимодействия кровли и почвы (например, в некоторых случаях поддержания выработок в прочных породах с помощью целиков) имеем на поверхности выработанного прост­ ранства -сГу^О.

Задание на границе почвы и кровли нагрузок, будучи основана на схеме и экспериментальных данных, учитывающих сложные не­ обратимые процессы реального сдвижения пород, и отражая харак­ терные черты этих процессов, имеет существенные преимущества по сравнению с другими подходами к учету взаимодействия кровли и почвы, которые обсуждаются в дальнейшем.

Рассмотрим теперь вопрос о свойствах подработанных пород. Важным обстоятельством, сопровождающим смещения слоев, явля­ ется разуплотнение. Особенно велико оно в зоне беспорядочного обрушения, но существенно и разуплотнение на контактах и более удаленных слоев при их взаимных смещениях, а также на контак­ тах макроструктурных трещин. В результате объем подработанных пород увеличивается, и при полной подработке смещения, отвечаю­ щие дну мульды сдвижения, меньше вынимаемой мощности слоя. При повторной подработке разуплотнение не становится больше

мульды приближается к мощности слоя, вынутого на втором этапе работ. То же происходит и при последующих подработках.

Разуплотнение существенно сказывается не только на смеще­ ниях, но и на давлении газа, если он содержится в пластах, по­ скольку вдоль контактов слоев образуется система сообщающихся каналов и газопроницаемость резко возрастает. Благодаря высокой проницаемости этих каналов, даже редких поперечных трещин, пе­ ресекающих слои, достаточно для дегазации значительной части подработанных пород. Для угольных пластов газопроницаемость дополнительно возрастает из-за раскрытия в них при разгрузке трещин напластования. Поэтому радиусы дегазации, т. е. расстоя­ ния, на которых отмечается падение газового давления, в подра­ ботанных породах гораздо больше размеров зон интенсивного обрушения и трещинообразования. Область, в которой уменьшает­ ся давление газа, при пологом залегании угольной свиты пластов превышает стократную, а при крутом — восьмидесятикратную мощ­

где значения коэффициентов фр и ар для подработанных пород указаны в табл. 2. Первые строки этой таблицы относятся к слу­ чаю отсутствия искусственной дегазации, а вторые — к случаю, когда она применяется. Отметим, что при подработке коэффи-