книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

Рис. 154.

Горизонтальные сдвижения горных пород и земной поверхности с учетом сил трения, возни­ кающих на контакте наносов п коренных пород (а), и схема расположения профильных линий относительно очистной выработки (6):

1 — горизонтальные сдвиж ения на контакте наносов и коренных пород; 2 — горизонтальные сдвиж ения земной поверхности без учета трения на контакте; 3 — результирую щ ие сдвиж ения, полученные из кривых 1 и 2\ 4 — покрывающ ие породы; 5 — коренные породы; 6 — очистная выработка

а

Растяжение сжатие

*5max h

м

Рис. 155.

Номограммы для расчета горизонтальных деформаций растяжения и сжатия земной поверх­ ностям

а — максимальные растяж ения и сж атия земной поверхности в сравнении с относительной величиной максимального оседания земной поверхности; б — изолинии равных максимальных деформаций земной поверхности для построения типовых кривых деформаций в главных сечениях мульдм сдвиж ения; 1, 2, 3 — нрпвля соответственно наклонов, растяж ений и сж атий; 4 — точка перегиба

Растяжение

=0,9/1

Из рис. 157 видно, что центральный угол ф, заключенный между перпен­ дикулярами к середине отрезков 1—2 и 2—3, можно вычислить по разности наклонов этих отрезков. Отрезок I должен иметь длину, приблизительно рав­ ную 1/20 Я, т. е. около 40 м при глубине разработки 800 м, чтобы учесть также короткие сильно искривленные участки кривой. Если, например, наклоны двух соседних отрезков равны 0,00117 (1,17 мм/м) и 0,00300 (3 мм/м), то раз­ ность наклонов составит 0,00183, или +1,83 мм/м, что при расстоянии между серединами отрезков, равном 30 м, даст отношение ф/Z = 0,00006, для которого по показанному на рис. 157 графику, построенному на основе зависимости

В условиях угольных uiaxT Великобритании вычисленные по этому методу горизонтальные деформации земной поверхности хорошо согласуются с их изморенными значениями*

РАЗВИТИЕ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ВО ВРЕМЕНИ

ЮЛ.

Значение фактора времени

В методах расчета сдвижений земной поверхности, рассматривавшихся в пре­ дыдущих главах, сдвижения определялись для конечной стадии процесса сдвижения земной поверхности над одиночной выработкой. Этот процесс в усло­

учитывать не только конечную, но и промежуточные стадии процесса сдвижения, вытекающие из постепенного увеличения площади очистной выработки и свя­ занного с этим возрастающего воздействия ее на земную поверхность, так как значения параметров сдвижения — оседаний, наклонов, а также деформаций растяжения или сжатия в процессе ведения горных работ непрерывно изме­ няются, причем здание или сооружение, в конечной стадии подработки испы­ тывающее, например, деформацию, сжатия в промежуточной стадии процесса может подвергнуться растяжению.

Отсюда следует, что временной коэффициент z, характеризующий разви­ тие процесса сдвижения во времени и выражающийся в процентах от оседания

имеет большое практическое значение, если требуется получить ответы на сле­ дующие вопросы:

а) определить, когда можно ожидать первые опасные проявления под­

б) определить, когда можно ожидать полное затухание сдвижений земной поверхности, чтобы после этого можно было приступить к капитальному ре­ монту поврежденных сооружений;

в) определить, когда подрабатываемое сооружение будет в наибольшей степени подвергаться воздействию горных работ, чтобы в этот момент можно было провести измерение вызванных подработкой деформаций этого соору­ жения;

г) определить ожидаемые оседания для промежуточных стадий процесса сдвижения, чтобы можно было составить календарный план работ по подъему рельсовых путей и мостов или по регулированию водного режима в судоходных каналах;

д) проанализировать характер смены деформаций растяжения и сжатия на земной поверхности при одновременном ведении горных работ на нескольких выемочных участках и на различных горизонтах, чтобы иметь возможность вести горные работы с наименьшим возможным ущербом для подземных гор­ ных выработок и наземных сооружений;

е) определить деформации растяжения, сжатия или наклона шахтной крепи для промежуточных стадий процесса сдвижения, чтобы оценить воз­ можный ущерб, который может быть причинен функционированию шахтного подъема.

В связи с современной техникой ведения горных работ временной коэффи­ циент имеет значение еще и с другой точки зрения.

В среде от вязкоупругой до пластичной, которой можно уподобить много­ кратно подрабатываемый породный массив с возрастающей степенью нару­ шенное™ трещинами, развитие деформаций во времени зависит, как известно, не только от величины действующих сил, но и от скорости изменения нагрузок, а также от направления и продолжительности силового воздействия. Поэтому возможно считать, что скорость и направление подвигания горных работ в по­ родном массиве, сильно нарушенном проведением выработок или природной трещиноватостью, оказывает влияние на форму мульды оседания не только на промежуточных стадиях, но и в конечной стадии процесса сдвижения. Кроме того, необходимо считаться с тем, что при применявшемся ранее ведении горных работ в одну смену очистные забои каждый день не менее 16 ч оста­ вались неподвижными и в эти периоды приостановки горных работ могло происходить хотя бы частичное выравнивание напряжений в породах кровли за счет деформирования горных пород. В настоящее же время добыча угля на ряде шахт ведется непрерывно, в четыре смены, так что вследствие большой скорости подвигания забоев линии оседания непосредственной и основной кровли выполаживаЮтоя, область разгрузки перемещается в глубь зоны об­ рушения и усиление интенсивности разрывных деформаций в породах основ­ ной кровли происходит только в конце рабочей недели, чем и объясняются, по-видимому, часто наблюдающиеся в последние годы асимметрия профиля мульды оседания и большая крутизна ее склонов. Высказывается также пред­ полож ение, что наблюдающиеся в конце рабочей недели увеличение крутизны склонов мульды сдвижения и учащение случаев возникновения опасных де­ формаций связаны с происходящими у остановленного очистного забоя дефор­ мациями массива с образованием трещин разрыва, простирающихся далеко вверх, в породы покрывающей толщи. Однако вряд ли следует относить эти явления столь решительно за счет новой техники ведения горных работ, основываясь только Па единичных случаях, наблюдавшихся в Рурской области

ФРГ.

В известной мер$ надежно установленным можно считать, что в настоящее время при ведении ropiAix работ на больших глубинах непрерывное развитие процесса сдвижения всДед за движением очистных работ имеет место только при первой подработДе; При производящейся с большой скоростью подвигания (до 5 м/сут) отработке последующих нижележащих пластов значительное -оседание основной кровли, при котором процесс сдвижения распространяется

до земной поверхности, происходит только в конце рабочей недели, когда очистной забой продвинется примерно на 25 м, так что увеличение размеров и глубины мульды оседания происходит не плавно, а периодически через не­ дельные интервалы. В результате вторичного оседания, происходящего после остановки очистных работ, происходит выполаживание склонов мульды, быв­ ших до этого более крутыми, и при достаточно большой мощности покрыва­ ющей толщи пород они в процессе подработки разрыхляются, а затем вновь

на промежуточных стадиях развития процесса сдвижения форма мульды обычно не отличается от той, которая имеет место в конечной стадии процесса для данного положепия забоя, так как в любом случае, как при прогибе пород­ ных слоев кровли как единого целого, так и при смещении породных блоков по поверхностям скольжения (плоскостям трещин), вторичное оседание не­ велико [324]. Поэтому при ведении горных работ на малых глубинах образу­ ющиеся на промежуточных стадиях развития процесса сдвижения динамиче­ ские мульды с крутыми склонами почти в точности идентичны статическим мульдам для соответствующего положения очистных работ (z = 1).

В последующих разделах этой главы мы, рассматривая вопрос о влиянии фактора времени на процесс сдвижения горных пород, будем исходить из пред­ положения о непрерывном развитии процессов деформирования и сдвижения породного массива, а также принимать, что при этом имеет место значительное по величине и продолжительное дополнительное оседание, возрастающее с увеличением скорости подвигания очистных работ. Здесь мы не будем ка­ саться связи между повышением скорости подвигания горных работ до 5 м/сут и обусловленными этими явлениями интенсивного развития трещиноватости горных пород и их пластической подвижности, следствием чего при соответ­ ствующем типе пород и определенной степени подработанности горного мас­ сива является уменьшение вторичного оседания. Системы разработки, полу­ чившие в настоящее время преимущественное распространение в Рурской области ФРГ и характеризующиеся применением выемки с обрушением кровли, одновременной разработкой нескольких пластов на разных горизонтах П вы­

и на степень повреждений подрабатываемых объектов на земной поверхП°сти*

10.2.

Анализ развития процесса сдвижения земной поверхности во времени

Первые обширные наблюдения за промежуточными стадиями развития ПР°" цесса земной поверхности, проведенные в горнопромышленном районе ле" вом берегу р. Рейна, показали, что возникающая на земной поверхности кар­ тина сдвижений перемещается вслед за подвиганием очистных работ, по^°^но волне на поверхности моря. На рис. 158 показаны как профили мульд оседания при горных работах с закладкой выработанного пространства при мощ-

Растяжение

(300*600*)

Рис. 158.

Развитие во времени сдвижений земной поверхности над ориентированным по простиранию пласта движущимся забоем при отработке горизонтально залегающего пласта на глубине 175 м (мощность пород покрывающей толщи 145 м, полное оседание около 90 см [86, 87,

ности пласта М = 1,8 м, соответствующих последовательным положениям очистного забоя (от 1 до 7), так и траектории сдвижения отдельных точек зем­ ной поверхности. Нетрудно видеть, что мульды сдвижения для промежуточных стадий процесса, построенные в разрезе вдоль направления движения очистных работ, отличаются от мульд сдвижения для конечной стадии асимметрией и более пологой формой профиля. На наблюдательной линии, ориентирован­ ной по простиранию пласта (см. рис. 86), можно видеть, кроме того, пере­ ход от деформаций растяжения к деформациям сжатия и изменение направле­ ния наклонов и знака кривизны. В поперечном направлении, вкрест прости­ рания пласта, наоборот, мульда сдвижения остается на месте, в процессе раз­

в подрабатываемом породном массиве расходятся. В то время, как некоторые специалисты [10, 157] считают, что оседание земной поверхности начинается сразу же после того, как непосредственная кровля опустится в результате выемки небольшой части площади очистной выработки, другие авторы [245, 270] утверждают, что в направлении снизу вверх должно иметь место заме­ дление оседания от слоя к слою, т. е. скорость оседания породных слоев или

оседания точек породного массива должна быть для разных породных слоев различной в зависимости от глубины их залегания. Во многих случаях бывает и так, что весь массив породных слоев оседает вместе с породами непосред­ ственной или основной кровли, как единое целое, но развитие процесса сдви­ жения снизу вверх временно задерживается перекрывающим образовавшуюся в породном массиве мульду жестким на изгиб слоем песчаника, создающим отставание оседания во времени. Неодинаковая скорость оседания породных слоев в различных зонах массива объясняется направленными по нормали к напластованию деформациями от разгрузки и расслоением пород над очистной выработкой, вследствие чего оседания точек и прогибов слоев по мере прибли­ жения к земной поверхности уменьшаются, причем уменьшаются также и де­ формации растяжения по нормали к напластованию. Если же отнести величину оседания точек на каждом горизонте к окончательной величине оседания этих точек, когда влияние деформаций растяжения по нормали к напластованию исключается, то окажется, что относительная скорость оседания лежащих на одной вертикали точек породного массива от основной кровли до земной поверхности будет примерно одинаковой.

Развитие во времени процесса сдвижения пород в массиве определяется в основном тремя факторами: податливостью закладки или обрушенного ма­ териала, подвиганием очистного забоя и изгибной жесткостью комплекса по­

скорость конвергенции в выемочном поле зависит как от скорости нагружения и высоты столба создающих нагрузку пород (глубины и распределения давле­ ния), так и от мощности закладки. Это можно пояснить примером. Приводи­ мые на рис. 159 кривые показывают, что конвергенция заключенного в обо­ лочку образца закладочного материала с течением времени стремится, в за­ висимости от нагрузки, к предельному значению а, Ъили с. В результате по­ вышения нагрузки от а2 до о3 в момент времени t3 кривая зависимости кон­ вергенции от времени в точке 3 изменяет траекторию и направляется к точке 4. Соответствующая этой точке конвергенция могла бы быть достигнута уже в момент времени t2, если бы в момент времени t i было приложено сжи­ мающее напряжение а3, минуя степени а* и а 2. Отсюда следует, что конвер­ генция закладки в момент времени th обусловленная оседанием пород непо­ средственной кровли, зависит также и от предшествующего хода изменения нагрузки во времени; чем выше скорость возрастания нагрузки, тем раньше достигается конечная величина конвергенции с в поле закладки и тем больше соответственно скорость оседания породных слоев кровли. Кроме того, при малой мощности слоя закладки конечное значение конвергенции под дей­ ствием одной и той же длительной нагрузки достигается быстрее, чем при

влияние, с одной стороны, на скорость увеличения пролета, перекрываемого породными слоями, и следовательно, на величину их прогиба и, с другой сто­ роны, на связанное с увеличением прогиба возрастание во времени нагрузки на закладку (см. рис. 76). При большой скорости подвигания очистного забоя

W-

Рис. 159.

Зависимости конвергенции w от времени (а, Ъ, с), полученные при испытаниях об­ разцов закладочного материала без воз­ можности бокового расширения в усло­ виях длительно действующих нагрузок а1? а2 и а3 от начального момента времени О—5 — кривые для ступенчатого увеличе­ ния нагрузки; 0—1 — участок кривой, соответствующий первоначальному уплот­ нению и упругой деформации под дей­ ствием нагрузки о х

Рис. 160.

Развитие во времени процесса оседания отдельных точек земной поверхности на ориенти­ рованной по простиранию наблюдательной линии над неподвижным забоем, от которого начинались очистные работы (Pi), над движущимся забоем (Р2) и над остановленным 1 забоем (Рд):

2 и з — соответственно статическое вторичное и динамическое остаточное оседание

опускающиеся на закладку породные слои быстрее прогибаются и соответ­ ственно быстрее возрастает давление на закладку. Ускорению развития про­ цесса сдвижения способствует также предшествующая подработка породного массива. С другой стороны, чем больше изгибная жесткость породных слоев кровли, тем позднее начинается их оседание над разрабатываемым участком пласта и тем меньше будет их прогиб при неполной подработке (см. рис. 8). В верхней части породного массива, ближайшей к земной поверхности, к этому добавляется еще зависящий от фактора времени характер деформирования рыхлых горных пород (см. подраздел 11.6).

При анализе развития процесса сдвижения во времени необходимо раз­ личать наблюдения на отдельной точке и на наблюдательной линии, зало­ женной по простиранию или по падению пласта, а также сдвижения, проис­ ходящие над неподвижным (исходным) забоем, над движущимся фронтом очистных работ и над временно приостановленным добычным забоем.

По результатам наблюдений на отдельной точке получается только зави­ симость сдвижений этой точки от времени, а по результатам измерений на на­ блюдательной линии — картина развития деформаций мульды сдвижения на разрезе породного массива. В точке Р i земной поверхности, расположенной

над исходным забоем или позади него, резкое возрастание оседания наблюдается раньше, чем в точке Р 2, лежащей над движущимся забоем, и, наконец, под­ рабатываемой им (рис. 160). В точке над исходным забоем отработка не­ которой определенной площади выемочного участка при полном прогибе по­ родных слоев оказывает более сильное влияние, в то время, как влияние ле­ жащих у края области влияния участков очистной выработки сказывается позднее лишь в слабой степени, о чем можно судить по пологому ходу кривой. Точка Р 2 при приближении к ней забоя оседает лишь незначительно, но в дальней­ шем оседание в этой точке возрастает даже круче, чем в точке Р х. Над остано­ вленным забоем в точке Рг после прекращения очистных работ наблюдается вторичное оседание, обусловленное влиянием выработки, площадь которой не увеличивается. Во время этого периода вторичного оседания давление кровли на закладку позади остановленного забоя постепенно возрастает, пока несущая способность уплотняющейся закладки, за вычетом перекрываемой породами кровли краевой зоны, не достигнет достаточной величины (см. рис. 21). Этот процесс статического вторичного оседания после остановки очистных работ продолжается дольше, чем динамическое остаточное оседание точки при развитии очистных работ за пределы площади полной подработки, когда массив горных пород в еще большей степени подрабатывается и про­ седает в краевой зоне выемочного поля при увеличивающемся пролете свободно провисающей кровли.

Если ширина очистной выработки b превышает величину 2Д, то по изме­ ренным оседаниям для данной точки могут быть построены так называемые т и п о в ы е к р и в ы е з а в и с и м о с т и о с е д а н и я о т в р е м е н и для различных скоростей подвигания очистных работ, которые не следует смешивать с расчетной кривой оседаний в мульде во времени х, что часто имеет место на практике.Только при весьма большой скорости подвигания очистных работ или малой глубине разработки кривая оседания точки приближается к кривой влияния фактора времени. Чтобы иметь возможность сопоставить наблюдаемые обычно над площадью неполной подработки оседания точки земной поверхности с типовой кривой зависимости от времени, нужно при построении кривой развития оседаний во времени откладывать на вертикаль­ ной оси оседаний также коэффициент е, а на горизонтальной оси времени — диаметр площади полной подработки или время, требующееся для отработки выработки на полную длину 2R.

Из рис. 160 можно видеть, кроме того, что максимальная скорость осе­ даний, т. е. наибольший прирост оседания в единице времени, для отдельных точек земной поверхности по наблюдательной линии, заложенной в направле­ нии простирания пласта, над движущимся забоем имеет различную величину, а именно к середине мульды она больше, чем у края мульды, что вполне по­ нятно, поскольку степень влияния на точку, расположенную над центром очистной выработки, должна быть большей. Еще отчетливее выражена воз-

1 Кривая оседаний во времени показывает возрастающее влияние промежуточного

положения границ очистных работ с течением времени, а не ход процесса оседания точки земной поверхности.