книги / Сдвижение горных пород на рудных месторождениях

До 1941 г. залежь была отработана на глубину 260 м. Очистные работы на основной части залежи возобновились в 1956 г. Основ­ ные системы разработки — подэтажные штреки и подэтажное обрушение. В висячем боку залежи непосредственно под наносами в период с 1953 по 1957 г. группой мелких Ингулецких шахт отра­ батывались бурые железняки коры выветривания коренных пород.

Результаты проведенных исследований показали, что при раз­ работке вертикальной залежи на глубине более 250 ль на земной поверхности образуются воронки обрушения, зоны трещин и плав­ ных сдвижений. Но характер их образования и параметры, опреде­ ляющие их границы, отличаются от вышеприведенных.

Воронки на земной поверхности образуются в пределах полосы над выходом залежи и контактирующей с ней неустойчивой толщи глинисто-охристых сланцев под наносы. Время и место появления воронок приурочено к погашению отработанных камер. Появление воронок перепуска отмечено на всем протяжении разрабатываемого участка залежи.

Заполнение выработанного пространства легко обрушающимися глинисто-охристыми сланцами способствует тому, что интенсивное сдвижение пород с образованием зоны трещин происходит лишь в пределах этой толщи, а за нею породы деформируются сравнительно плавно. Поэтому граница зоны трещин с западной стороны залежи определяется положением контакта глинисто-охристых сланцев с бо­ лее устойчивыми джеспилитами.

До 1962 г. сдвижение земной поверхности происходило только с западной стороны от залежи. За зоной трещин на большой пло­ щади развивалась зона плавных сдвижений, наибольшая ширина которой в средней части мульды сдвижения достигает 300 ль.

Развитие зоны плавных сдвижений хорошо видно на рис. 14, где построены векторы сдвижения грунтовых реперов и графики изменения скоростей оседания. К 1961 г. деформации в зоне плав­ ных сдвижений с западной стороны залежи достигли критических значений. Ширина зоны опасных сдвижений достигла 250 ль и с тех пор больше не увеличивалась. К 1965 г. наибольшие горизонталь­ ные деформации здесь достигли 6 льль/ль, а наибольшие оседания — 1630 льль. Несмотря на большие абсолютные сдвижения, развитие процесса сдвижения в этой зоне происходило весьма плавно.

Такой характер сдвижения земной поверхности при наличии весьма крепких вмещающих пород на первом этапе исследований объяснялся сдвижением за счет дренирования и механической суф­ фозии мощных и обводненных наносов. Однако последующие иссле­ дования при помощи глубинных реперов показали, что коренные породы, по крайней мере в верхней своей части, также сдвигаются. Угол сдвижения в наносах составляет 55°, а в коренных поро­ дах — 43°.

Плавный характер сдвижения земной поверхности позволяет нормально эксплуатировать сооружения, находящиеся в этой зоне. Так, здание хлебозавода, оказавшееся в зоне плавных сдвижений

еще до 1941 г., продолжают эксплуатировать и в настоящее время при деформациях растяжения 5 мм/м и наклоне 5 мм/м. Продол­ жают нормально эксплуатировать также магистральные железнодо­ рожные пути МПС, станцию Ингулец и подъездные железнодорожные пути рудника Ингулец, хотя горизонтальные и вертикальные сдви­ жения в районе их расположения достигли значений около 200 мм, а горизонтальные деформации 4,5—5,0 мм/м. Этому способствует то, что в последнее время скорости сдвижений с западной стороны стали уменьшаться.

С 1962 г. в результате отработки этажа гор. 350 л&, где залежь имела падение на восток, стала развиваться зона сдвижения и с во­ сточной стороны, причем более активно, чем с западной (см. график скоростей оседания на рис. 14). В 1963 г. скорости сдвижений с восточной стороны уже были в 10 раз больше, чем с западной, а по­

сдвижения здесь равен углу разрывов. Активное развитие процесса сдвижения с восточной стороны способствует затуханию процесса сдвижения коренных пород и земной поверхности с западной сто­ роны.

Залежи III группы. В правилах охраны сооружений для Криво­ рожского бассейна 1962 г. слепые залежи отдельно не выделялись. Считалось, что их отработка, так же как отработка залежей, вы­ ходящих под наносы, вызывает сдвижение и деформации земной поверхности. Однако анализ собранных материалов показал, что разработка довольно большой группы слепых залежей при опреде­ ленных условиях не вызывает обрушения земной поверхности.

Каковы ще эти условия?

служить слепые залежи: оси 130 рудника им. Орджоникидзе, оси 139 рудника им. Коминтерна и ряд других, отработанных по про­ стиранию на 80— 100 м и по падению на 200— 250 ле. В слабых же породах с / = 2 ч- 5 даже при сравнительно небольших размерах обнажения устойчивый свод равновесия не возникает. Примером этому может служить отработка западных участков залежей шахты «Северная» рудника им. Ильича, где при среднем пролете выработки в 20—30 м сдвижение налегающих пород с глубины 110— 120 м дошло в форме плавного прогиба до земной поверхности.

В т о р ы м у с л о в и е м является определенное соотношение вынимаемой мощности и глубины залегания, при котором происходит заполнение выработанного пространства обрушившимися породами за счет их разрыхления. В результате обработки материалов по сле­ пым залежам, вызвавшим образование воронок на земной поверх­ ности, установлено среднее значение коэффициента разрыхления

от разработки обособленной слепой залежи не должно дойти до зем­

С некоторым запасом надежности можно считать, что обрушение коренных пород от разработки слепых обособленных залежей не дой­ дет до земной поверхности при соотношении П3/тв ^ 10, где II3 — глубина залегания верхнего контура слепой залежи под наносами,

бину до 500 м системами с открытым выработанным пространством

иимеет большое количество пустот.

В35 случаях разработка слепых залежей не вызвала обрушения

земной поверхности 2 и в 15 случаях на земной поверхности появи­ лись воронки обрушения 1 (рис. 15). Осью ординат IIэ является глубина верхнего контура разработки, осью абсцисс I — меньший из двух размеров залежи в плоскости пласта (длина столбообразной залежи по простиранию или наклонная длина по падению, если за­ лежь вытянута по простиранию). Параметр I выбран из того расчета, что именно меньший из двух размеров выработанного пространства в плоскости пласта определяет высоту устойчивого свода равновесия.

Большинство случаев обрушения земной поверхности имеет

десятилетий не приводила к обрушению земной поверхности, и, наобо­ рот, воронки над слепыми залежами возникали при соотношении Н3/1 = 1 ,5 и даже при II3jl = 2. Последний случай относится к раз­ работке слепой залежи II «Западная» на руднике им. Фрунзе.

но в его движении не было больших скачков, которые свидетельство­ вали бы о беспорядочном обрушении этой части кровли.

Сдвижение массива происходило в форме последовательного прогиба слоев пород с образованием свободных полостей между слоями. На это указывали периодические удлинения и сокращения отдельных интервалов между реперами. Так, например, перед началом сдвижения репера III длина интервала I— III увеличилась на 960 мм. С началом сдвижения репера III этот интервал сокра­ щался и к концу ноября составил 540 мм, т. е. 56% от первоначаль­ ного. С сентября 1965 г. сдвижение репера I почти прекратилось а вышележащие продолжали сдвигаться.

Коэффициент разрыхления для данного случая «упорядоченного» сдвижения налегающих пород составляет 1,1.

§5. Сдвижение пород лежачего бока залежей

Впоследние годы с увеличением глубины разработки на некото­ рых рудниках Криворожского бассейна, разрабатывающих мощные залежи большой длины по простиранию, появилось необычное явле­ ние — сдвижение пород лежачего бока. Ранее считалось, что скаль­

и сооружений были заложены на сравнительно близком расстояниии от выхода залежей под наносы и в настоящее время, оказавшись в зоне сдвижения лежачего бока, испытывают большие деформации и выходят из строя. Так, на руднике им. Дзержинского из строя вышли крупнейшая в бассейне шахта «Гигант-Скиповая» и шахта «Коммунар». В настоящее время в зоне сдвижения находятся здания и сооружения шахт «Центральная», «Гигант-Клетевая», «Северная» того же рудника. На рудниках им. Коминтерна и им. Кирова

взоне сдвижения находятся сооружения вспомогательных и экс­ плуатационных шахт. В дальнейшем, с увеличением глубины раз­ работки и слиянием разобщенных рудных тел в мощные оруденения,

взону сдвижения пород лежачего бока могут попасть и другие шахты. Поэтому знание характера развития и параметров процесса сдвижения лежачего бока в условиях Криворожского бассейна имеет большое практическое значение и прежде всего необходимо для обес­ печения сохранности и бесперебойной работы существующих шахт,

атакже для правильного выбора места заложения новых глубоких шахт.

Исследования процесса сдвижения пород лежачего бока прово­

тальные наблюдения по профильным линиям, заложенным на земной

поверхности и в подземных горных выработках, на станциях глу­ бинных реперов, оборудованных в скважинах, пробуренных с зем­ ной поверхности и из подземных горных выработок, а также визу­ альные наблюдения при помощи «маяков» и систематического обследования состояния выработок и сооружений.

Проведенные исследования позволили вскрыть причины и ха­ рактер развития процесса сдвижения пород лежачего бока, опреде­ лить его основные параметры, предрассчитать возможные деформа­ ции сооружений на ближайшие 5—10 лет и тем самым решить воп­ рос о рациональной охране существующих сооружений, попадающих в зону плавных сдвижений лежачего бока. Ниже приведены резуль­ таты наблюдений по характерным станциям рудника им. Дзержин­ ского, где процесс сдвижения лежачего бока залежи получил наи­ более полное интенсивное развитие.

Рудник им. Дзержинского разрабатывает месторождение в зам­ ковой части Саксагаиской синклинали. Шарнир складки погружа­ ется на север под углом 14—18°, отчего на юге месторождение вы­ клинивается, а на севере глубина распространения его 800—900 м. Месторождение имеет клиновидную форму и достигает общей мощ­ ности около 200 м (рис. 17). Восточное крыло синклинали (лежа­ чий бок) имеет падение на запад по углом 40—50°, а западное имеет то же направление падения, но под углом 50—80°.

Лежачий бок залежи представлен переслаиванием гидрогематитовых роговиков с хлоритовыми сланцами. По мере удаления от за­ лежи породы становятся более монолитными и постепенно переходят в более устойчивые аспидные сланцы. Рыхлые отложения предста­

с юга месторождения, где очистные горные работы шахты «Комму­ нар» производились на глубине 180—230’.и. Слепые «Восточные» залежи к этому времени были отработаны на значительном участке по простиранию. В начале развития процесса были отмечены лишь плавные сдвижения земной поверхности со скоростями до 10 мм/месяц. В дальнейшем в сдвигающемся массиве выделились две харак­

Наглядное представление о характере процесса сдвижения дают результаты инструментальных наблюдений в специально пройден­ ном для целей исследования квершлаге по оси 117 (квершлаг прой­ ден на 5 — 10 лг ниже контакта коренных пород с наносами) и в основном квершлаге гор. — 100 м по оси 123 лг. На рис. 17 резуль­ таты этих наблюдений представлены в виде графиков векторов сдви­ жения реперов, заложенных в почве выработок. Графики показы­

сдвига по слабым контактам пород. Наибольшую, величину сдвиже­ ния имеют реперы, ближайшие к выработанному пространству.

Судалением от последнего сдвижения уменьшаются;

3)наибольший перепад в сдвижении имеется в интервале между реперами № 7—9 в исследуемом квершлаге. Этому же интервалу соответствует появившаяся в 1960 г. (еще до начала отработки пре­ дохранительного целика) трещина на земной поверхности, опреде­ лившая границу зоны трещин и террас на промплощадке шахты «Гигант». Как и на Южном участке месторождения, эта граница прошла вблизи контакта гидрогематитовых роговиков с хлоритовыми сланцами;

4)другой, значительно меньший перепад в сдвижении имеет место вблизи контакта хлоритовых сланцев с аспидными, он опре­ деляет границу зоны плавных опасных сдвижений.

О характере сдвижения вмещающих пород на горизонте очист­ ных работ можно судить по результатам наблюдений в орте по оси 70 гор. — 300 .ч (рис. 18). К моменту закладки в орте наблюдатель­ ной станции (в мае 1962 г.) очистные горные работы производились на 20 лг выше и орт уже испытывал деформации. Непосредственно под очистными работами в бетонной крепи орта имелись трещины. Через пять месяцев после начала наблюдений, несмотря на неодно­ кратное усиление деревянными стойками и кострами, орт на этом участке был разрушен. За период с мая по ноябрь 1962 г. на стан­ ции было проведено восемь серий наблюдений, нивелировки реперов в почве и кровле выработки, измерение длин интервалов и замеры относительных смещений реперов стойкой СУ-Н и рулеткой ВНИМИ.

На рис. 18 показаны векторы сдвижений реперов в почве орта, а также величины сдвижения глубинных реперов в буровых скважи­ нах, по которым хорошо оконтуриваются возникающие вокруг вы­ работанного пространства зоны разгрузки и опорного давления. Непосредственно под выработанным пространством в интервале репе­ ров № 8 — 13 находится зона А, в которой породы расслаиваются и выдавливаются в сторону выработанного пространства. Поднятия имеют реперы, заложенные не только в почве, но и в кровле орта. Так, в районе репера № 11 абсолютные поднятия почвы за период с мая по ноябрь 1962 г. составили 54 лглг, а кровли 19 лиг, причем наибольшая скорость поднятия (12 мм1месяц) наблюдалась в

период непосредственной надработки данного участка. Размеры зоны разгрузки в лежачем боку залежи по нормали к напластованию соста­ вляют для данной глубины разработки (380 м) 45— 50 м. За зоной разгрузки располагается зона опорного давления (см. направление векторов сдвижения на концевых участках профильной линии). Абсолютные сдвижения здесь значительно меньше, так как породы на­ ходятся во всестороннем напряженном состоянии сжатия.

По другим профильным линиям подземной наблюдательной стан­ ции было отмечено, что по мере опускания очистной выемки под да­ влением обрушенных пород расслоение массива лежачего бока пре­ кращается, на месте зоны разгрузки появляется зона повторного сжатия и породы лежачего бока, затронутые этими зонами, начинают

Рпс. 18. Наблюдательная станция в орте по оси 70 гор. — 300 м руд­ ника им. Дзержинского (Л — граница зоны разгрузки)

сдвигаться по напластованию. Мощность толщи пород лежачего бока, где развиваются опасные сдвижения, соответствует размерам зоны разгрузки.

Аналогичный характер развития процесса сдвижения пород лежачего бока отмечается и на руднике им. Коминтерна, но ввиду более крепких пород в лежачем боку ширина зоны террас здесь меньше и в 2—3 раза меньше скорости оседаний в зоне плавных сдвижений [28].

На основании натурных наблюдений за сдвижением пород ле­ жачего бока залежей Криворожского бассейна можно сделать сле­ дующие выводы:

1. В результате применения систем разработки с обрушением руды и вмещающих пород и периодического сдвижения пород вися­ чего бока в лежачем боку постоянно происходит перераспределение напряжений, возникают и затем сменяют друг друга зоны опорного давления и зоны разгрузки. Для реализации изменения горного давления в породах лежачего бока в их сдвижение необходимы со­ ответствующие условия, и прежде всего: