книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

схема:

1— сухие рыхлые породы; II — крепкие (скальные) породы; сплошные и пунктирные линии — кривые деформации соответственно массива горных пород и шахтной крепи

ния горных пород и в крепи образуются широкие трещины. Таким образом устройство деформационных швов со сминающимися специальными картонными прокладками часто оказывается недостаточным для защиты шахтного ствола от повреждений. Такие швы могут обеспечить заметную разгрузку только

виеобводненных рыхлых породах, где нарастание деформаций ствола по углу

ах сравнительно невелико.

Наиболее важным техническим мероприятием при выемке внутренней зоны предохранительного целика является полное удаление шахтной крепи на горизонте угольного пласта, поскольку обычно в крепи возникает область

часть шахтного ствола может опускаться вместе с оседающими горными поро­

дами, не испытывая деформаций сжатия (рис. 68, а)- Опускание устья шахтного ствола в открытом зазоре отстает от опуска­

ния пород непосредственной кровли, равного аМ, на величину обжатия, со­ ответствующего площади А 2, а разгруженные породы почвы поднимаются на величину, соответствующую сумме площадей А 3+ А 4. Нижняя часть ствола следует за поднятием пород почвы на меньшую величину, соответствующую

Рис. 68.

Схема к расчету необходимого открытого зазора в шахтной крепи при отработке околоствольного целика от центра к периферии:

1— стенка шахтной крепи; 2— массив горных пород; з— пласт; 4— разделительный шов; 5— выемка с обрушением кровли; б — открытый зазор в крепи; сплошная и пггрихпунктирная линии — кривые дефор­ мации соответственно массива горных пород и крепи

только площади А 4; разность поднятий пород почвы и шахтной крепи может быть определена по размеру площади А 3 (рис. 68, в). Таким образом, верхний и нижний края открытого зазора в результате ведения очистных работ сбли­ зятся, причем верхний край опустится на Ау2 = аМ — А 2, а нижний подни­

чтобы зазор после проведения очистных работ мог закрыться без возникнове­ ния деформаций сжатия.

Установленная в разделительном шве обычным способом кольцевая кост­ ровая крепь на всю мощность разрабатываемого пласта М из крестообразно положенных досок ограничивает смещение верхнего и нижнего краев шахтной крепи в зазоре, но при этом происходит сжатие как костровой крепи, так и крепи шахтного ствола. Из диаграммы сжатия костровых крепей можно видеть^ что относительным деформациям сжатия крепи из сосновых досок, равным 15, 40 и 50%, соответствуют сжимающие напряжения, равные 400, 800 и 1200 Н/см2 [38]. Если принять, что в сжатой костровой крепи возникает сжи­

деформации соответственно массива горных пород и крепи

причем вверх и вниз от шва вертикальные деформации сжатия шахтной крепи будет уменьшаться до нуля по линейному закону под углом а г (рис. 69). На го­ ризонте податливой костровой крепи нарастание деформаций происходит по более крутому углу а 2. По сравнению с крепью ствола, в которой сделан открытый шов, площадь деформаций растяжения уменьшается на величину площади полосы А. При точном построении эпюры деформаций ствола заштри­

анкер, препятствующий относительному смещению пород и крепи, подвер­ гается срезающим воздействиям. Целесообразнее применить вертикальные анкеры, скрепляющие краевой пояс шахтной крепи у шва с вышележащим участком крепи, или же укрепление внутренней поверхности шахтной крепи с помощью проволочной сетки.

Относительно выбора м а т е р и а л а д л я ш а х т н о й к р е п и можно сказать следующее: жесткая крепь из монолитного бетона характери­ зуется малым углом нарастания деформаций ос и деформируемости в меньшей степени, чем сравнительно слабая крепь из кирпичной кладки. Поскольку отрыв шахтной крепи от массива горных пород происходит лишь на коротких

горизонтальных заполненных цементным раствором швов становятся замет­ ными только при деформации растяжения около 1 мм/м. Таким образом, де­ формациям сжатия лучше сопротивляется бетонная крепь; при деформациях растяжения предпочтительнее крепь из кирпичной кладки на слабом цементном растворе, которую легче ремонтировать. С этой точки зрения крепь из кирпич­ ной кладки является наиболее подходящей при отработке предохранительного целика от центра к периферии ствола, проходящего по устойчивым сухим породам, поскольку поврежденные участки крепи можно быстро заменить новой кладкой, а также потому, что при таком способе отработки можно из­ бежать губительно действующей на цементный раствор смены сжимающей нагрузки на растягивающую. Во влажных породах следует предпочесть бе­ тонную или железобетонную крепь и отработку целика от периферии к центру, так как бетон к деформациям сжатия менее чувствителен, чем к деформациям растяжения, и при отработке от периферии к центру в крепи возникают только деформации сжатия, при которых не образуется трещин разрыва. Само собой разумеется, что наилучшую защиту против воздействия очистных работ обеспе­ чивает устройство шва скольжения по внешнему цилиндру крепи с битумным покрытием.

Действию вертикальных усилий и деформаций в шахтном стволе подвер­

податливые вставки-компенсаторы. Для участков проводников на горизонте угольного пласта, характеризующихся значительными вертикальными деформа­ циями сжатия, разработаны специальные скользящие вставки с надевающимися скобками для их крепления [141]. Ниши в кирпичной кладке, предусмотренные для расстрелов и брусьев венцовой крепи, должны быть заполнены мягким известковым раствором. Смещения элементов армировки могут быть скомпенси­ рованы при помощи регулируемых кронштейнов. Однако и в новой шахтной крепи, не говоря уже о нагрузке от собственного веса, могут иметь место осе­ вые напряжения, возникающие чаще всего в крепи шахтных стволов, соору­ жаемых способом замораживания. В процессе замораживания пород забой шахтного ствола поднимается на несколько сантиметров, а при оттаивании породы вновь опускается, а нагревающаяся крепь растягивается. При такой смене сил, вызываемых тепловыми деформациями и трением, на отдельных участках крепи могут возникать значительные вертикальные деформации растяжения или сжатия, достигающие 0,5 мм/м, которые, складываясь с де­ формациями от влияния очистных работ, могут существенно повлиять на последующую картину деформаций шахтного ствола [117, 218].

Прогноз деформаций шахтной крепи при отработке предохранительных целиков в условиях наклонного и крутого залегания пластов затрудняется недостаточной изученностью процесса сдвижения горных пород в подобных условиях. Можно только сказать, что поскольку сдвижения пород в этом случае происходят главным образом в направлении, нормальном к напласто­ ванию, то шахтные стволы испытывают наклон и искривляются также и в сред­ ней части (см. рис. 25).

ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ПОДРАБОТАННОСТИ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

6.1.

Совместное воздействие нескольких очистных выработок

Ранее был рассмотрен процесс сдвижения пород в нетронутом горном массиве, в котором впервые проходится значительная по площади одиночная очистная выработка. Однако во многих случаях специалистам по сдвижениям горных пород приходится иметь дело с массивами горных пород, уже многократно подрабатывавшимися, например, если в данном пласте уже были ранее отра­ ботаны отдельные участки или представленное несколькими пластами место­ рождение на протяжении нескольких десятилетий разрабатывалось выемкой отдельных горизонтов сверху вниз. В таком в большей или меньшей степени нарушенном массиве сдвижения слоев пород будут, несомненно, происходить интенсивнее и быстрее, чем при первой подработке, для условий которой раз­ работаны методы расчета сдвижений (рис. 70). Зависимости построены для вынутой мощности пластов, равной 3 м (кривая £х), 3—7 м (кривая t2) и более 7 м (кривая tз). Было давно замечено, что соседние или вышележащие очист­ ные выработки влияют на форму мульды оседания, а также что при погоризонтной отработке околоствольного предохранительного целика на земной поверх­ ности образуются непредвиденно глубокие и крутые мульды оседания [15]. Кроме того, конечная стадия деформированного состояния массива горных пород наступает тем раньше, чем больше степень его подработанности.

Эти расхождения между расчетными и измеренными сдвижениями горных пород и земной поверхности, которые теперь, в условиях концентрации гор­ ных работ на малом количестве участков, стали наблюдаться особенно часто [225, 422], следует отнести главным образом за счет сильной нарушенности массива горных пород горными выработками. С изменением степени подрабо­ танности массива горных пород изменяется изгибная жесткость породных слоев,

неравномерным. Поскольку вследствие этого в действующих очистных выра­ ботках изменяется величина и скорость конвергенции, а в уже подработанных участках массива, вновь пришедших в движение, возникает дополнительное оседание, эти влияния удаленных очистных выработок нельзя оставлять без внимания при точном расчете оседаний отдельных точек породного массива. Поэтому актуальной задачей науки о сдвижениях горных пород является исследование взаимосвязи сдвижений, вызванных новыми и старыми горными разработками, а также исследование зависимости этих сдвижений от жестко­ сти массива горных пород, чтобы получить возможность количественного учета влияния этих факторов в современных методах расчета сдвижения гор­ ных пород.

т*

Рис. 70.

Разрез мульды оседания и характер развития процесса оседания во времени при многократной подработке массива горных пород [15]:

1 — граница очистной выработки; 2 — недобор оседаний; 3 — перебор оседаний; 2 М — суммарная мощность отрД~ ботанных пластов; сплошная линия — измеренная кри­ вая; пунктирная — расчетная кривая

Сдвижения пород и перераспределение напряжений, вызванные проведе­ нием очистной выработки, оказывают влияние внутри массива, помимо ство­ лов и основных выработок шахты, на соседние, а также на надработанные и подработанные выемочные участки, старые выработки, камеры и целики,

127

вызывая там вторичные сдвижения и изменения горного давления. Особого внимания заслуживают:

взаимное влияние соседних лав, расположенных на одном и том же гори­ зонте,

взаимное влияние двух или большего числа лав, расположенных на раз­ личных горизонтах,

влияние целика, оставленного в очистной выработке.

Данные о взаимодействии горных выработок приведены в табл. 7.

6. 2.

Влияние краевых зон соседних лав

Опускание пород кровли над границей очистной выработки происходит не

призабойным пространством и краевой зоной поля закладки, как это было показано на рис. 8—11. Поэтому закладка в краевой зоне очистной выра­ ботки при конвергенции от 20 до 30% М хотя и несколько уплотняется, однако не достигает той плотности, какая имеет место в середине выработанного пространства, где конвергенция достигает 50%М. В поле обрушения породы основной кровли перекрывают краевую зону очистной выработки подобно мосту, и образованная там крупными глыбами обрушенной породы опора испытывает лишь незначительную нагрузку. Это видно, например, из того, что на одной из шахт обрушенный материал, состоявший из кусков породы размером с булыжник и заполнявший пространство шириной 2 м между бу­ товыми стенками, через три года после окончания очистных работ можно было вынимать вручную [390]. Это показывает, что внутренние краевые зоны очи­ стной выработки имеют некоторый «запас оседания», преобразующийся в сдви­ жение горных пород при длительном пластическом деформировании или же при разработке соседнего участка ненарушенного пласта, при котором опора основной кровли ликвидируется и пролет основной кровли до новой границы выработки удв айвается.

Если вдоль границы выработанного пространства проходится новая очи­ стная выработка без оставления между ними раскоски, заполненной породой, то в выработанном пространстве (назовем его здесь «старой выработкой») про­ изойдет дополнительное (повторное) опускание кровли до 100% аМ, а во вну­ тренней краевой зоне новой очистной выработки кровля также опустится на величину полного оседания (рис. 72), так что обе лавы объединятся в одну широкую выработку с непрерывной линией прогиба кровли от левой до правой границы угольного пласта. При этом, если площадь этого выемочного поля достаточно велика, давление пород кровли на закладку возрастает до веса пород покрывающей толщи, равного уН. Опорное давление А 0, действовавшее до этого на угольный пласт у линии раздела между старой и новой выработ­ ками, в большей своей части распределится на закладку в новой выработке и на не полностью уплотнившуюся закладку в старой выработке, а не воспри­ нятая закладкой часть давления А 2 проявится в виде прироста давления А ъ

/ а I

над нижней границей пласта. При этом породы почвы в центре нового выемоч­

давления закладки вновь опустятся, и величина поддутия почвы прибавится

приближенно равным полному оседанию аМ• В плане линии уступов параллельны границе выработки. Если известно точное значение опускания непосредственной кровли, можно уточнить расчет, приняв ширину уступов у движущегося и неподвижного забоев различной, или при равной ширине уступов, приписав им различное опускание, выраженное в процентах от аМ . Так, например, для кровли, сложенной глинистым сланцем, обладающей незначительной изгибной жесткостью, опускание первого уступа (в зоне опор­ ного давления) составит 7%, а двух следующих — 70 и 90% от опускания кровли в середине выемочного участка (см. рис. 8). На плане, показанном на рис. 72, «объединенного» выемочного поля нанесены контуры уступов опускания кровли, параллельные границам старой и новой очистных выработок. Повтор­ ное (сверх уже имевшихся 50%) опускание кровли в заштрихованной части старой выработки можно разбить на два уступа, соответствующие 20 и 50% М- У границы новой очистной выработки к имевшемуся ранее опусканию кровли на 15% М добавится дополнительно еще 85% М .

Если между старой и новой очистными выработками имеется раскосда, заложенная породой, задача оценки величины опускания непосредственной кровли существенно усложняется — ее рассмотрение выходит за рамки книги.

Рис. 73.

Влияние очистных работ в пласте под старой выработкой (уменьшение конвергенции в надработанной выработке):

1 — экран давления; 2 — вторая очистная выработна

Рис. 74.

Влияние распространяющегося по нормали к напластованию опорного давления старой выработки на новую выработку:

1 — значительная конвергенция; 2 — новая очистная выработка; з — незначительное вторичное оседание; рг — добавочное давление; р2 — краевое давление

находятся на разных горизонтах, как это имеет место при разработке несколь­ ких пластов. При этом в результате проведения первой выработки происходит разгрузка окружающих ее пород, выражающаяся в падении горного давления, распространяющемся вверх и вниз от этой выработки на расстояние до 1 0 0 м и влияющем на конвергенцию в других очистных выработках, проводимых выше или ниже первой. Если, например, под очистной выработкой в образу­ ющих ее почву породах, в которых вследствие разгрузки возникли вертикаль­ ные деформации растяжения, отрабатывается другой пласт, то в проводимой по нему новой очистной выработке сначала наблюдается снижение горного дав­ ления и конвергенции, а после того как забой новой (нижележащей) выработки в ходе своего подвигания окажется в области повышенного давления под гра­ ницей старой (вышележащей) выработки, горное давление резко возрастет, что проявится в виде увеличения конвергенции в новой выработке. С другой сто­ роны, вследствие обратного влияния новой выработки в старой выработке возоб­ новится процесс сдвижения, что приведет к увеличению кривизны и расслое­ ния в породных слоях кровли. Ослабленные этим процессом породные слои кровли в краевой зоне старой выработки начнут деформироваться под дей­ ствием горного давления, вследствие чего в старой выработке произойдет дополнительное оседание и уплотнение закладочного материала.

При подработке очистной выработки конвергенция в новой (подрабаты­ вающей) выработке будет меньше, чем при первичной подработке породного массива, поскольку верхняя (подрабатываемая) выработка как бы экранирует нижнюю от воздействия полного горного давления, равного yk2. Над вновь отрабатываемой частью нижнего пласта лежит только простирающееся до