книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках

Рис. 1.2. Схема расчета влияния опорного давления на точку в массиве

Рис. 1.3. Распределение напряже­ ний вокруг выработки:

а — изолинии напряжений в долях максимальной нагрузки; б — распреде­ ление напряжении в сечении А —А

1.1.2. Сдвижение горных пород при повторной подработке толщи

В Донбассе шахты разрабатывают, как правило, несколько пластов. Влияние горных работ на земную поверхность при этом может быть одновременным и разновременным. Под разновремен­ ным влиянием понимается такая ситуация, когда время между от­ работкой пластов в зоне влияния на данный участок земной по­ верхности превышает общую продолжительность процесса сдвиже­ ния, регламентированную «Правилами охраны...» [31]. Подра­ ботка в условиях уже нарушенной толщи имеет ряд особенностей в сдвижении пород и земной поверхности (прежде всего возникно­ вение активизации сдвижения). Основным проявлением активиза­ ции является увеличение максимального оседания и деформации земной поверхности при повторной подработке по сравнению с первичной подработкой, осуществленной в идентичных условиях.

Существующее мнение о причине активизации при отработке свиты сводится к тому, что при первичной подработке в массиве возникают устойчивые зависания, которые при подработке другим пластом по тем или иным причинам погашаются и вызывают до­ полнительные к расчетным оседания и деформации земной поверх­ ности. Зависания возникают в условиях крепких вмещающих по­ род, а также при оставлении в выработанном пространстве цели­ ков. Во многих случаях активизация наблюдается в породах сред­ ней крепости и даже слабых, а также тогда, когда первый пласт на данном участке отработан без целиков. Возникновение зависа­ ний в этих условиях невозможно, а активизация все же происхо­ дит. Следовательно, существующее мнение объясняет лишь част­ ную причину и не дает объяснение общей причины активизации.

В общем случае причину этого явления можно объяснить сле­ дующим. В ненарушенном массиве слои горных пород находятся в сжатом состоянии, обусловленном давлением вышележащей тол­ щи. При отработке угольного пласта часть веса пород над выра­ боткой в виде опорного давления передается на призабойный мас­ сив и целики. В' результате этого породы в области полных сдви­ жений частично разгружаются от нормального давления, что ве­ дет к их расширению [44]. Часть расширения обуславливается упругим восстановлением, другая часть — разуплотнением массива системами трещин, образующихся в породах кровли после отра­ ботки пласта. В процессе подработки точки массива проходят че­ рез область необратимых деформаций [26], поэтому при вторич­ ном уплотнении пород в области полной подработки слои пород не сжимаются до прежнего размера, т. е. они получают необрати­ мое расширение. Если такой массив подработать еще раз, то его повторное расширение будет меньше, чем первичное, и оседание земной поверхности в этом случае будет больше. По данным инст­ рументальных наблюдений, проведенных над горными выработка­ ми в Донбассе, среднее увеличение максимального оседания при повторной подработке составляет около 30 % [30, 41].

Рассмотрим случай полной подработки земной поверхности пластом 1 в условиях ненарушенной толщи (рис. 1.4). Здесь и да­ лее будем считать, что по простиранию пласта лавы имеют раз­ меры, превышающие 1,4Яср, а способ управления горным давле­ нием осуществляется полным обрушением кровли. Такое условие

подработки

св Ы 0'3,мм/м

вполне реально для Донбасса, на шахтах которого, в основном, применяются столбовая и сплошная системы разработки со значи­ тельными размерами выемочных полей по простиранию, а число лав, отрабатываемых с закладкой, невелико. Допустим также, что деформации в точках массива являются непрерывными функция­ ми координат, т. е. выполняется общий принцип механики сплош­ ной среды. Деформации расширения подработанного массива е* по мере удаления от земной поверхности возрастают от нуля до некоторого значения ео на уровне отработанного -пласта. С доста­ точной для практики точностью их изменение можно аппроксими­ ровать линейной зависимостью

6л=8ох/Н. (1.1)

Тогда оседание земной поверхности от выемки первого пласта после окончания процесса сдвижения

Величину ео выразим в зависимости от горно-геологических па­ раметров. Для этого используем фактические данные об оседа­ ниях земной поверхности при полной подработке и закончившемся процессе сдвижения по 59 наблюдательным станциям. В эти дан­ ные вошли только случаи, когда коэффициент подработаниости земной поверхности вкрёст простирания пласта П\ был близким к единице, т. е. свод зоны полных сдвижений замыкался на земной поверхности.

еепроекцией на вертикаль т cos а.

Врезультате корреляционного анализа выяснилось, что вели­ чина ео находится в наиболее тесной связи с нормальной кратно­ стью подработки K = H 0/{m co sa). Для выбора наилучшего вида аппроксимирующей функции и определения коэффициентов в уравнении связи использовался регрессивный анализ. Были ис­ следованы две формы связи: гиперболическая и экспоненциаль­ ная. Оценка' значимости коэффициентов корреляции производи­

лась по критерию Стыодента, оценка адекватности уравнений — по критерию Фишера. Сравнение эмпирических критериев с тео­ ретическими осуществлялось на 5 % -ном уровне значимости. Наи­ более адекватной формой связи является гиперболическая зависи­

ных пород в направлении, нормальном к напластованию, после окончания процесса сдвижения.

Предположим теперь, что поверхность полностью подработана вторым пластом (см. рис. 1.4). В этом случае расширение будет происходить в ненарушенных породах междупластья и в породах, нарушенных отработкой первого пласта. Характер убывания рас­ ширения в обоих случаях можно принять одинаковым. Отличие заключается в том, что выше глубины залегания отработанного пласта повторное расширение пород будет меньше, чем первичное.

Величина еов (индекс в означает вторичную подработку) свя-

Для определения условий возникновения активизации необхо­ димо знать высоту распространения расширения массива над вы­ работанным пространством лавы. Данные о высоте распростране­ ния расширения в подработанном массиве могут быть получены в результате натурных инструментальных наблюдений за сдвиже­ нием массива, проведенных в подработанных выработках и сква­ жинах.

Приуправлении горным давлением обрушением кровли под выработанным пространством образуется область полных сдвиже­ ний. В зависимости от крепости вмещающих пород высота этой области может составлять (0,54-1,0)/)!. В процессе подвигания за­ боя лавы породы в этой области проходят через зоны опорного давления, разгрузки и повторного сжатия. При этом слои пород испытывают деформации сжатия, изгиба, расслоения, сноса и т. д. По сравнению с другими участками массива, испытавшими влия­ ние подработки, породы области полных сдвижений являются наи­ более деформированными и нарушенными многочисленными тре­ щинами.

При достаточно большой мощности разрабатываемого пласта породы в области полных сдвижений отделяются по контуру этой области от остального массива (под отделением пород понимается появление открытых трещин по контуру зоны). В этом случае на­ грузки на почву пласта будут определяться весом пород в области полных сдвижений. Слои пород, залегающие выше области полных сдвижений, передают свой вес на целики. Такое перераспределение давления создает условия для сохранения в области полных сдви­ жений деформаций расширения в течение длительного периода времени после окончания процесса сдвижения. Осносительные ос­ таточные расширения пород, расположенных выше области пол­ ных сдвижений, значительно меньше, чем в пределах этой обла­ сти. Например, по данным наблюдений, проведенных на шахте «Красная Звезда» производственного объединения «Торезантрацит», относительное остаточное расширение пород над областью полных сдвижений в 15 раз меньше, чем внутри этой области. При разработке пологих пластов мощностью до 2,5 м и длине лавы не менее 120 м остаточное расширение подработанных пород распро­ страняется в вышележащем массиве на расстояние, не превышаю­ щее высоту области полных сдвижений. Слои пород, залегающих под этой зоной, прогибаются без существенного расширения. По­ этому породы, нарушенные первичной подработкой, способны ока­ зывать существенное влияние на процесс сдвижения при повтор­ ной подработке только в том случае, если они попадают в область полных сдвижений. Если же высота области полных сдвижений над действующей лавой меньше мощности междупластья, то ак­ тивизации сдвижения не происходит.

С принятых позиций произведен расчет добавочного оседания активизации при неполной подработке земной повёрхности вкрест простирания пласта. Вершина области полных сдвижений в даи-

ном случае не совпадает с земной поверхностью, поэтому исход­ ная функция (1.1) примет вид

е*= е0 [х— (Н—Но) ]/Н0.

Рассмотрим случай, когда не полностью подработанная толща подвергается вторичной неполной подработке (рис. 1.6), где ф — угол полной подработки. При нисходящем порядке отработки пла-

ул*..су,«л

Рис. 1.6. Схема к расчету активизации при нисходящем порядке отработки

пластов

Рис. 1.7. Схема, иллюстрирующая граничные условия формулы (1.7)

стов, преимущественно применяемом в Донбассе, такой вариант встречается наиболее часто. Увеличение максимального оседания, вызванное активизацией, будет численно равно площади треуголь­ ника abc:

д = (1 — А) в,,, j я, — (Н, — н^) d x ’ н%-н+

Учитывая, что Но2= # 2Я1(2), находим:

ющей лавой во втором пласте в направлении вкрест простирания;

в миллиметрах.