книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

конечной стадии развития горных работ будут удовлетворять требованиям норм безопасности, можно приступить к разработке проекта плана горных работ, т. е. к выбору направления и скорости подвигания очистных работ и к установлению последовательности отработки отдельных выемочных участков во времени. Этот предварительный календарный план развития горных работ в дальнейшем должен служить основой для уточненных рас­ четов ожидаемых деформаций шахтного ствола для заданных моментов вре­ мени через определенные (квартальные или полугодовые) интервалы, причем в формулы подставляется (для упрощения) временной коэффициент, равный единице. Если при этих дополнительных расчетах будет установлено, что в какие-то определенные моменты времени деформации крепи шахтного ствола превышают допустимую величину, их можно уменьшить соответствующим изменением принятых ранее направлений и порядка отработки участков,

нер шахты должен указать, какие горнотехнические мероприятия он считает целесообразным применить для разгрузки шахтной крепи на ее наиболее от­ ветственных участках. Кроме того, должен быть составлен план маркшейдер­ ских наблюдений за состоянием шахтного ствола, заключающихся в периоди­ ческом измерении глубин до заложенных в крепи реперов, проверке верти­ кальности оси ствола и проводников и в осмотре крепи [139]. Если на земной поверхности вблизи шахтного ствола имеются чувствительные к деформациям сооружения, то и они должны быть включены в число объектов, за состоянием которых ведутся наблюдения.

5.2.

Планирование горных работ в зоне околоствольного предохранительного целика

Поскольку характер деформаций шахтного ствола зависит от его расположе­ ния в плане относительной очистной выработки, горные работы могут быть запро­ ектированы с таким расчетом, чтобы в йонечной стадии их развития в шахтной крепи имели место определенного вида деформации (вертикальное растяжение или сжатие). Рассмотрим рис. 61, на котором показано распределение деформа­ ций вдоль шахтного ствола при различных его положениях относительно очистного забоя. В положении 1 шахтный ствол пересекает границу области влияния, а выше этой границы в крепи ствола возникают вертикальные дефор­ мации сжатия, максимум которых по мере приближения забоя к стволу сме­ щается вниз, а деформации возрастают вместе с увеличением оседания земной поверхности. Начиная с положения 2 , при котором максимум вертикальных деформаций сжатия достигает горизонта очистной выработки, деформации начинают уменьшаться и в положении 3 деформации сжатия становятся рав­ ными нулю; при этом благодаря прогибу слабых пород непосредственной кровли или закладки оседание земной поверхности возрастает от 0,3 до 0,5аМ,

Рис. 61.

Распределение деформаций горных пород, окружающих шахтный ствол, при различном расположении его относительно очистной выработки, пройденной до площади полной под­ работки:

т. е. до половины полного оседания. Далее над выработанным пространством массив горных пород в вертикальном направлении растянут. Поскольку при этом оседание земной поверхности увеличивается, то в положении 4 в закладке возникнут деформации сжатия, равные сумме вертикальных деформаций растяжения пород покрывающей толщи и оседания земной поверхности, т. е. 0,2аМ + 0,7аМ = 0,9аМ. При положении шахтного ствола в середине вы­ работанного пространства при полной подработке вертикальные деформации растяжения горных пород снова уменьшатся до нуля, а сжатие закладки до­ стигнет своего наибольшего значения, равного аМ (положение 5). Что ка­ сается пород почвы, то в промежуточных положениях 3 и 4 в них возникают

сива горных пород на шахтный ствол может существенно меняться, по срав­ нению с конечной стадией отработки, в зависимости от способа ведения горных работ и от конструкции крепи ствола на эксплуатационном горизонте (дефор­ мационные разделительные швы, сминающиеся деревянные прокладки и др.). При отработке предохранительного целика на одном крыле в направлении к шахтному стволу при ширине выемки, равной размеру полной подработки

Рис. 62.

Характер распределения вертикальных упругих деформаций в шахтной крепи при наличии разделительного шва (б, г, е) и без него (а, в, д) для трех случаев отработки околоствольного целика — односторонней выемки, симметричной выемки от периферии к центру и симме­ тричной выемки от центра к периферии

к стволу область деформаций сжатия увеличивается вплоть до горизонта очист­ ной выработки (кривая 2). После прохождения оси ствола очистным забоем в средней и верхней частях ствола возникают вертикальные деформации рас­ тяжения (кривая 3). При достижении площади полной подработки деформации пород вдоль ствола, находящегося в середине выработки, исчезают, но на го­ ризонте очистной выработки происходит резкое возрастание вертикальных деформаций сжатия (кривая 4), которые могут разрушить шахтную крепь, если в ней (что часто случается) не сделан заранее разделительный кольцевой деформационный шов, заполненный сминающимися деревянными прокладками (рис. 62, б). Таким образом, при односторонней отработке предохранитель­ ного целика от периферии к центру лежащая выше эксплуатационного гори­ зонта часть шахтного ствола претерпевает последовательно вертикальные деформации сжатия и растяжения и, кроме того, в отдельные моменты испы­ тывает наклон оси. При отработке узким фронтом длиной менее 2R (неполная

подработка) после выемки пласта в пределах предохранительного целика вместо кривой 4 в верхней части ствола остаются незначительные деформации

от периферии к центру (рис. 62, в). При этом совместное влияние двух встреч­ ных забоев вызывает сначала значительные вертикальные деформации сжатия в верхней части ствола (кривая i), превышающие деформации при односто­ ронней выемке (рис. 62, а). При переходе забоев в положение 2 здесь, как и в предыдущем случае, область деформаций сжатия захватывает и нижнюю часть ствола. После этого в верхней части ствола происходит разгрузка, но выше и ниже очистной выработки остается зона значительных вертикальных деформаций сжатия (кривая 5), исчезающая в случае, если в крепи имеется разделительный шов (рис. 62, г). Следовательно, при симметричной отработке предохранительного целика от периферии к центру ни в один из моментов отработки не возникает опасных вертикальных деформаций растяжения в верх­ ней части ствола, которая при проведении ствола по водоносным породам крепится тюбингами с уплотняющими кольцами (см. также рис. 56). При таком способе отработки целика можно по всей длине шахтного ствола пред­ отвратить возникновение вертикальных деформаций растяжения в бетонной крепи, весьма чувствительной к растягивающим нагрузкам, если на эксплуа­ тационном горизонте в этой крепи предусмотрен деформационный шов.

При отработке предохранительного целика от центра к периферии в верх­ ней части ствола не возникает вертикальных деформаций сжатия (рис. 62, д), а при наличии разделительного шва эти деформации не возникают на всей длине ствола выше шва (рис. 62, е). Влияние симметричной отработки в дан­ ном случае сказывается прежде всего в нижней части ствола (кривая i), в кото­ рой при отсутствии разделительного шва возникают вертикальные деформа­ ции сжатия и растяжения (рис. 62, д), а при его наличии — только деформации растяжения (рис. 62, е). При переходе забоев в положение 2 вертикальное растяжение шахтной крепи распространяется до верхней приемной площадки. По окончании выемки площади полной подработки вертикальные деформации крепи с разделительным швом падают до нуля (см. рис. 29), но при отсутствии шва на горизонте очистной выработки имеют место опасные вертикальные

Сравнение эпюр деформаций шахтных крепей по длине ствола с раздели­ тельным швом и без него ясно показывает преимущества устройства разделитель­ ного шва, полностью исключающего возможность возникновения вертикальных деформаций сжатия крепи на эксплуатационном горизонте. Поэтому во всех дальнейших соображениях о снижении деформаций шахтной крепи в промежу­ точных стадиях отработки целика взаимным наложением и компенсацией влия­ ний очистных работ будем исходить из предположения, что такой разделительный шов в крепи имеется. Такая симметричная относительно шахтного ствола отработка околоствольного целика необходима также для того, чтобы не только

Рис. 63.

Схема к определению величины скольжения Avx по поверхности разрыва в искривленной пачке слоев горных пород

Z

исключить возможность наклона оси ствола, но и предотвратить возможность среза шахтной крепи по плоскостям контактов слоев горных пород — ампли­ туда смещения при таком срезе часто достигает 1 дм. Разрушение шахтной крепи срезом возникает в том случае, если пересекаемые стволом слои горных пород при односторонней выемке предохранительного целика (см. положение забоев 2 на рис. 62, б) искривляется настолько сильно, что касательное на­ пряжение при изгибе т, возрастающее к середине слоя горной породы массива

Угол наклона породных слоев 6 может быть вычислен по оседанию трех точек слоя горных пород, расположенных вблизи шахтного ствола. Такое смещение слоев горных пород создает в шахтной крепи настолько большие напряжения, что им не может противостоять даже самая прочная крепь.

Полная к о м п е н с а ц и я д е ф о р м а ц и й шахтного ствола, при ко­ торой вертикальные деформации растяжения и сжатия совпадали бы во вре­ мени и пространстве, в начальной стадии отработки предохранительного це­ лика не может быть осуществлена, так как деформации сжатия при отработке от периферии к центру возникают в верхней части ствола (см. рис. 62, г), а де­ формации растяжения при отработке от центра к периферии в — его нижней части (см. рис. 62, е), а поэтому при симметричной отработке целика, веду­ щейся одновременно от периферии и от центра, крепь ствола вверху будет подвергаться сжатию, а внизу — растяжению. Взаимное погашение растяги­ вающих и сжимающих деформаций наступит только после того, как очистные забои придут в положение 2 (см. рис. 62). После этого все слои окружающего шахтный ствол массива горных пород будут оседать равномерно и с ними вместе опустится цилиндр шахтной крепи, не испытывая ни вертикальных сжатий,

Рис. 64.

Различные варианты «гармоничной» отработки околоствольного целика путем сочетания выемки от периферии к центру и от центра к периферии при ведении очистных работ по одному или нескольким пластам:

1—4 — участки пластов

ни растяжений, на величину, равную опусканию пород непосредственной кровли очистной выработки.

Чтобы произвести выемку целика с наименьшим ущербом для шахтного ствола, обычно бывает достаточно только при отработке внутренней зоны целика следить за тем, чтобы деформации противоположных знаков по возможности взаимно компенсировались во времени и пространстве. Для этого околоствольную предохранительную зону, которая для пластов, залегающих на глубине примерно 700 м, имеет диаметр около 1 км, делят на три или четыре выемочных полосы, имеющих ширину по падению пласта 250 или 200 м, не принимая во внимание остающиеся снаружи два сегмента, которые при последующей их выемке вызовут незначительные деформации сжатия верхней части ствола. Такое ограничение ширины выемочных полос при больших площадях охраняемой зоны должно делаться еще и для того, чтобы концен­ трацией очистных работ на наиболее сильно влияющих на шахтный ствол участках пласта удерживать длину фронта очистных работ в пределах, легко поддающихся оперативному контролю и подвергать шахтный ствол опасным деформациям в течение по возможности короткого времени*

На рис. 64, а показан вариант выемки предохранительного целика, при котором сначала отрабатываются две внешние полосы (/), а затем, способом симметричной выемки от центра к периферии, средняя полоса. В варианте,

1 Способ гармоничной выемки был сначала разработан с целью защиты подрабаты­ ваемых шахтных сооружений на земной поверхности (компенсация горизонтальных дефор­ маций сжатия и растяжения) [228] и лишь впоследствии быЛ распространен и на защиту шахтных стволов (компенсация вертикальных деформаций сжатия и растяжения) [10].

не подвержена деформациям. Что касается вариантов а и б, то возможные при их применении вертикальные деформации сжатия в верхней части ствола при наличии в горном массиве водоносных породных слоев могут оказаться даже полезными для компенсации деформаций растяжения, которые доба­ вятся здесь впоследствии. Что же касается деформаций растяжений в нижних слоях кровли, обусловленных выемкой центральных участков околоствольного целика, то в необводненных породах они не представляют опасности для работы шахтного ствола; эти деформации причиняют околоствольным выработкам меньше вреда, чем вертикальные деформации сжатия.

Проведение горных работ по одному из описанных вариантов, с симметрич­ ной выемкой внешних и внутренних участков, с целью компенсации напря­ жений, которое преходится осуществлять при отработке не одного, а двух или большего числа пластов, на практике часто представляет значительные трудности, так как, чтобы выдержать намеченный план работ во времени, приходится отказываться от применения закладки, а также из-за возможного появления непредвиденных тектонических нарушений в пластах. Особенно важно соблюдать точное выполнение плана работ во времени при отработке охранной зоны в шахматном порядке, причем в этом случае нельзя остана­ вливаться перед затратами на одновременную подготовку и оборудование боль­ шого числа выемочных участков и на решение проблем, связанных с транс­ портом и вентиляцией, если желательно, чтобы такая отработка прошла

успешно.

Для расчета деформаций шахтного ствола важно хорошо знать развитие

воздействия горных работ во времени, пространстве и по величине. При этом не следует опасаться нарастания воздействий на участках шахтного ствола, при которых произошел сдвиг окружающих пород по крепи над очистной выработкой и в верхней части породного массива, — это обстоятельство может быть важным для планирования отработки внешних и внутренних выемочных участков, действующих на ствол с тюбинговой крепью (см. рис. 56). Для раз­ бивки охранной зоны на участки, обусловленной тектоникой и расположением пригодных для выемки частей пласта, требуется в каждом конкретном слу­ чае индивидуальной подход к составлению плана горных работ и тщательное взвешивание принимаемых решений с точки зрения науки о сдвижениях гор­ ных пород, а также технологии горных работ и необходимых затрат.

Другим горнотехническим мероприятием для защиты шахтной крепи является применение выемки с закладкой выработанного пространства. При использовании закладки, возможность применения которой следует рассмо­ треть хотя бы для внутренней части предохранительного целика, оседание кровли в 2 раза меньше, чем над участками, отработанными с обрушением кровли, примем в такой же пропорции уменьшаются вертикальные деформа­ ции растяжения и сжатия пород, а также деформации цилиндра шахтной крепи в направлении оси ствола. Из рис. 65? на котором кривыми 1 и 2 пока­ зано распределение вертикальных деформаций сжатия и растяжения при выемке с обрушением, а кривыми 1 а и 2а — при выемке с полной закладкой,

Рис. 65.

Деформации горных пород н шахтной крепи при отработке околоствольного целика с обру­ шением кровли пли с закладкой выработанного пространства:

7, 77 — разработка соответственно с обрушением кровли и закладкой выработанного пространства; III горизонт разрабатываемого пласта; сплошная и пггрихпунктирная линии — кривые деформации соответ­ ственно массива и шахтной крепи

Рис. 66.

Деформации вмещающих горных пород и шахтной крепи при наличии центральной зоны (невынутого угля или плотной закладки) и без нее:

7 — центральная зона; II — при отсутствии центральной зоны; сплошная и штрихпунктирная линии — кривые деформации соответственно массива горных пород и шахтной крепи

видно, что деформации снижаются примерно в 2 раза. Таким образом, закладка является весьма действенным средством защиты шахтной крепи от чрезмерных продольных деформаций.

Над выработанным пространством разгрузка нижних слоев горных пород происходит в значительно большей степени, чем верхних. Слои пород кровли на высоту до 200 м над выработкой могут отделяться от остального массива и с значительной скоростью и искривлением опускаться, разрушая нижнюю часть шахтного ствола в начальной стадии отработки центральной части пред­ охранительного целика. Чтобы ограничить развитие этих вертикальных де­ формаций растяжения в породах основной кровли, было предложено оста­ влять вокруг шахтного ствола неотработанной или заполненной очень плот­ ной закладкой внутреннюю центральную зону. Из рис. 66 можно видеть, что наличие внутренней центральной зоны хотя и снижает деформации растяжения в слоях горных пород основной кровли, но на деформациях шахтной крепи оно сказывается в меньшей степени, поскольку здесь (при условии достаточной прочности крепи на растяжение) имеет место скольжение пород по крепи. При наличии в крепи разделительного шва нарастание деформаций крепи

по новой теории идет от горизонта выработки под углом аи, причем не имеет значения, снижаются ли вертикальные деформации растяжения пород над внутренней центральной зоной до нуля или же вплотную к зоне обрушения приобретают максимальное значение. Таким образом, оказывается, что неот­ работанная внутренняя центральная зона уменьшает максимальные дефор­ мации растяжения шахтной крепи (см. рис. 66) лишь в незначительной сте­ пени (на участке между точками 1 и 1а). В верхней части шахтного ствола, закрепленной тюбинговой крепью, наличие неотработанной внутренней цен­ тральной зоны также не дает сколько-нибудь заметного снижения вертикаль­ ных деформаций растяжения, если ее диаметр не увеличить до нескольких сотен метров. Более того, наличие неотработанной внутренней центральной зоны, являющейся своего рода оставленным целиком, может быть даже вред­ ным, если околоствольный двор находится в пределах возникающей вблизи таких целиков области повышенного давления. Однако она все же способ­ ствует более длительному сохранению устойчивости нарушенной в деформа­ ционных швах шахтной крепи в зоне пород основной кровли, лежащих на це­ лике или закладке внутренней центральной зоны.

5.3 Защита шахтной крепи от повреждений,

вызываемых сдвижениями горных пород

Опыт показывает, что при ведении очистных работ вблизи шахтных стволов особенно серьезные повреждения крепи имеют место в местах пересечения стволом угольных пластов или других сравнительно слабых породных слоев,

атакже вдоль геологических нарушений и вблизи околоствольных дворов

[92].На других участках шахтного ствола, где вертикальные деформации

растяжения обычно не превышают 3 мм/м, а деформации сжатия составляют 1 мм/м, повреждения крепи, как правило, не представляют опасности для нормального функционирования ствола. Слои глинистых пород, угольные пласты и закладка, подвергающиеся сжимающим нагрузкам в зоне опорного давления, выдавливаются в направлении, параллельном напластованию, в сторону шахтного ствола и оказывают на шахтную крепь радиальное давле­ ние, которое может вдавить крепь внутрь ствола и разрушить ее в отдельных местах. Такие повреждения крепи, так же как и обусловленные воздействием колебаний температуры смещения в стыках тюбинговой крепи шахтного ствола, часто ошибочно относят за счет влияния сдвижений горных пород в направле­ нии оси ствола, вызванных подработкой. По плоскостям тектонических на­ рушений в пределах области влияния очистных работ блоки горных пород основной кровли смещаются вниз, что также может привести к деформациям среза шахтной крепи. Чтобы избежать чрезмерных относительных смещений блоков горных пород, очистные работы в границах предохранительного це­ лика необходимо вести одновременно с обеих сторон линии тектонического нарушения внутрь выемочного участка. Что касается околоствольных дворов, то они являются наиболее слабым участком шахтного ствола. От горизонталь­ ного давления выдавливающихся слабых слоев горных пород защитой может

служить кольцеобразная з о л ь н а я п о д у ш к а между шахтной крепью и вырубленным на глубину 2—3 м породным слоем, воспринимающая дефор­ мации этого слоя в направлении, параллельном напластованию. В местах пересечения шахтным стволом тектонических нарушений, где неизбежно доявление трещин в шахтной крепи, можно предотвратить возможный прорыв воды при помощи дополнительного укрепления крепи по внешнему кольйУДля восприятия продольных сжимающих усилий, действующих на окоДОствольный двор, могут быть применены деревянные или пластмассовые п р о ­ к л а д к и , придающие шахтной крепи над околоствольным двором подат­ ливость. Предохранить околоствольный двор от воздействия горизонтального горного давления можно при помощи устройства открытого деформационного

ваемые также и на промежуточных участках шахтной крепи между руднич­ ными дворами отдельных горизонтов, служат для придания крепи необхо­ димой податливости в случае возникновения вертикальных деформаций сжатия. Достигаемое этим снижение продольных сжимающих усилий в шахт­ ной крепи зависит от толщины прокладок, интервалов, (по глубине) между горизонтами их установки и модуля упругости их материала. Еще более эффек­ тивны открытые горизонтальные швы (зазоры) в крепи на участках, где она связана с массивом горных пород, способствующие укорочению отрезка, на ко­ тором происходит передача сил трения, действующих на эти участки шахтной крепи (рис. 67, б). Открытый зазор разрывает отрезок, на котором действуют силы трения, и тем самым препятствует их суммированию. При этом нара­ стание деформаций крепи происходит от каждого шва заново, в обе стороны (вверх и вниз) и в середине каждого участка ствола деформации остается меньше деформаций горных пород на этом участке. Однако возможность при­ менения открытых швов в шахтной крепи ограничивается только случаями необводненного породного массива. Ширина этих зазоров должна быть равна разности оседаний Avz точек массива горных пород а и Ъв середине данного участка шахтного ствола, уменьшенной на величину вертикальной деформации сжатия в примыкающих к шву отрезках ствола (заштрихованные площади 2А 2 или А 2 + А з на рис. 67). В графическом построении ширине зазора в крегш, на который при подработке могут сместиться по вертикали навстречу друг другу участки ствола, отвечает заключенная между эпюрами деформаций шахтной крепи и массива горных пород площадь А г между точками а и Ь.

Если же в крепи шахтного ствола возникают вертикальные деформации, растяжения, применение в зоне коренных пород специальных картонных прокладок для предотвращения повреждений шахтной крепи менее эффективно, чем применение устройства открытых деформационных швов (рис. 67, #). При креплении шахтных стволов кирпичной кладкой, швы которой, запол­ ненные цементным раствором, имеют очень низкую прочность на растяженцо, нарастание деформаций крепи в зоне коренных пород происходит круто, под углом <х2, так что деформации растяжения на участке ствола между двумя специальными картонными прокладками возрастают до деформаций растяж^