книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках

Эллипс сдвижения в полярной системе координат может быть описан уравнением

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

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:

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

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,

относительной величины максимального сдвижения q (на 1 м вы­ нимаемой мощности). Для определения величины деформации с

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.

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

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

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:

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

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.

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

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