книги / Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Общие методические положения комплексного исследования проблем горной геомеханики

Для расчета сдвижения и деформаций земной поверхности в свете современных представлений нельзя не учитывать положения об отличном от сдвижения коренных пород прогибе рыхлых отложе­ ний (наносов) [28].

Прогибающиеся обычно с разломами над выработанным про­ странством слои горных пород приобретают опору на обрушенных или осевших нижележащих слоях, вследствие чего последние под влиянием пригрузки уплотняются и между ними уменьшается рас­ слоение. Другая часть веса зависших слоев прилагается к местам их «заделки», расположенным на вертикальном разрезе примерно вблизи нормали к напластованию, проведенной на границе вырабо­ танного пространства, а точнее — по некоторой кривой (рис. 10.1). Пригрузка массива в местах заделки слоев обуславливает возник­ новение опорного давления, под влиянием которого породные слои сжимаются, чем в значительной мере определяются величины осе­ даний в краевых частях мульды сдвижения.

Закономерности сдвижения неслоистого трещиноватого массива иные. Они определяются специфическими для данного типа кровли условиями предельного равновесия массива и его отдельных струк­ турных блоков. Главное влияние на величины сдвижения оказывают деформации сдвига по поверхностям ослаблений. На величины па­ раметров сдвижения, например, углов разрыва влияет, в частности, ориентировка систем крупных и мелких трещин [19].

§ 37. Методы и средства исследования процесса сдвижения пород под влиянием горных разработок

Несмотря на то, что за истекшее время накоплены большие по объему ценные результаты исследований, нельзя считать, что влия­ ние перечисленных в § 36 факторов изучено в достаточной степени, что методы расчета сдвижения и деформаций во всех случаях хоро­ шо отвечают наблюденным фактам; что же касается рудных место­ рождений, то для них разработка методов расчета вообще находится лишь в начальной стадии. Поэтому дальнейшее углубление иссле­ дований влияния факторов как в качественном, так и в количествен­ ном отношениях, является неотложной задачей [18].

Для исследования процесса сдвижения применяется комплек­ сная методика, сочетающая натурно-экспериментальные, лаборатор­ ные и аналитические методы исследований.

Исследования в натурных условиях (гл. IV) являются очень важными, так как они дают основные результаты, полученные непо­ средственно на земной поверхности, в толще пород, в горных выра­ ботках и естественно отражают влияние определенного комплекса факторов.

Однако они связаны с большой затратой времени и средств и подчас не позволяют разделить влияние действующих факторов

300

при обобщении материалов. Особенно большие трудности возникают при проведении исследований на рудных месторождениях *, отли­ чающихся большим разнообразием по условиям залегания, струк­ туре вмещающих пород, физико-механическим свойствам пород, системам разработки и т. д.

Лабораторные исследования (гл. III) позволяют по желанию экспериментатора создавать заданные условия и выявлять для них закономерности в сдвижении толщи пород и земной поверхности. Так же весьма полезны аналитические методы исследований (гл. V), с помощью которых возможна разработка расчетных методик по определению сдвижений и деформаций земной поверхности, толщи пород и выявлению закономерностей этих процессов.

Всостав натурных исследований входит:

—обследование и сбор данных о проявлении процесса сдвиже­ ния на земной поверхности; оценка устойчивости крепи горных выра­ боток, элементов зданий, сооружений; учет изменения водопрони­ цаемости горных пород и т. д.;

—визуальные и простейшие ускоренные инструментальные на­ блюдения за влиянием подземных разработок на земную поверх­

ность (возникновение воронок, провалов, грунтовых трещин и т. д .), за деформированными объектами, характером поведения кровли в очистных выработках;

— подробные инструментальные наблюдения на специально за­ ложенных долговременных наблюдательных станциях, в буровых скважинах, в горных выработках.

Наибольший эффект от проведения натурных исследований по­ лучается при постановке хорошо подготовленного эксперимента (например, выемка околоствольного целика, экспериментальная пбдработка железной дороги и т. п.); поэтому при проведении натурных исследований необходимо стремиться к проведению эксперимента в наперед заданных условиях, в дополнение к обычной регистрации сдвижений горных пород в производственных условиях.

При обследовании, должны быть собраны совмещенные планы горных работ и земной поверхности, геологические разрезы толщи пород, данные о структуре и физико-механических свойствах, сте­ пени повреждения зданий, сооружений, инженерных сетей, паспорта управления горным давлением.

Должное внимание следует уделять сбору данных. инструмен­ тальных наблюдений, если они проводились на шахте или руднике местными силами.

Подробные инструментальные наблюдения должны проводиться на таких долговременных наблюдательных станциях, которые бы, во-первых, находились в типичных горногеологических условиях,

* См. также гл. VIII.

301

во-вторых, чтобы выводы из результатов исследований можно было бы распространять на достаточно обширную область и, в третьих, давали бы возможность устанавливать характер и степень влияния на процесс сдвижения земной поверхности и толщи пород отдельных основных факторов. В последнем случае следует наблюдательные станции закладывать так, чтобы группы станций, при прочих равных условиях, отличались бы друг от друга на один фактор или на одну группу факторов (если учитывается влияние группы).

Определенные трудности возникают при выборе объектов для за­ кладки долговременных наблюдательных станций на рудных место­ рождениях. Однако и здесь следует стремиться закладывать стан­ ции так, чтобы выводы из исследований можно было распростра­ нить на возможно более обширные районы.

По вопросу проведения наблюдений следует руководствоваться составленными ВНИМИ и утвержденными Госгортехнадзором спе­ циальными инструкциями [11, 12], а также рекомендациями гла­ вы IV.

Инструкции содержат следующие разделы: общие положения; наблюдательные станции; составление проектов и закладка станций; проведение наблюдений; обработка материалов наблюдений на дол­ говременных и кратковременных наблюдательных станциях. Кроме того, в них имеются приложения в виде методических указаний о наблюдениях за сдвижением отдельных слоев пород и элементов сооружений, приводятся основные понятия и определения парамет­ ров сдвижения, иллюстрируются образцы заполнения журналов на­ блюдений и т. д.

Винструкциях даются также указания об инструментах, прибо­ рах, порядке проведения инструментальных наблюдений, необходи­ мой точности измерений.

Впоследние годы во ВНИМИ усовершенствован ряд методов и

мощью радиоактивных изотопов, впервые разработанный институ­ том Горного дела АН Каз. ССР [14]).

Лабораторные'методы разделяются на две основные группы:

—исследования на моделях процесса сдвижения земной поверх­ ности и толщи горных пород;

—исследования физико-механических свойств горных пород мас­ сива, подверженного влиянию подземных выработок.

При исследованиях на моделях предусматривается:

—изучение закономерностей процесса сдвижения подработан­ ной толщи горных пород при разных системах разработки;

—изучение влияния различных горногеологических факторов (мощности наносов, глубины разработок, вынимаемой мощности

пласта, угла падения, последовательности отработки пласта и др.) на параметры процесса сдвижения;

302

—исследование распределения сдвижений и деформаций по пло­ щади земной поверхности;

—исследование характера сдвижений и деформаций пород в зонах опорного давления ит. д.

При выборе методов лабораторных исследований, а также осу­ ществлении техники моделирования надлежит руководствоваться положениями глав II и III.

Моделирование процесса сдвижения в условиях разработки руд­ ных месторождений обычно сложнее моделирования для условий разработок на угольных и сланцевых месторождениях, поскольку затруднен учет особенностей разработки рудных тел, отличающихся зачастую несогласным залеганием, сложными конфигурациями строения, наличием геологических нарушений и т. д. В связи с этим большое внимание надлежит в дальнейшем обратить на вопросы построения моделей для случаев залегания рудных тел неправиль­ ной формы, с изменяющимися механическими свойствами и разно­ ориентированными трещинами вмещающих пород.

При исследованиях на объемных стендах как на угольных, так и рудных месторождениях необходимо обеспечить трудоемкие изме­ рения сдвижений и деформаций в толще пород.

Целью исследований физико-механических свойств горных пород является определение их прочности, деформируемости, а также ус­ тановление структурных особенностей пород и отнесение их к опре­ деленному типу, выявление связи между этими свойствами и основ­ ными параметрами процесса сдвижения.

Методы и средства испытаний механических свойств горных по­ род изложены в гл. II.

Большое значение при исследованиях процесса сдвижения имеет изучение трещиноватости горных пород, особенно при разработке рудных месторождений.

Изучение трещиноватости позволяет получить данные о простран­ ственной ориентировке трещин, их интенсивности и закономерности распределения по площади и глубине, что в свою очередь исполь­ зуется для объяснения качественной стороны особенностей процес­ са сдвижения, установления основных параметров процесса (углов сдвижения, разрывов, распределения деформаций и т. д.) [30].

Нельзя не отметить, что пути практического использования дан­ ных о механических свойствах пород и сведений об их трещинова­ тости при интерпретации процесса сдвижения горных пород пока еще развиты недостаточно, поэтому в дальнейшем следует этому вопросу уделять большее внимание.

Основной целью аналитических исследований процесса сдвиже­ ния является математическое выражение зависимостей основных параметров от ряда главных факторов и создание методов расчета ожидаемых деформаций земной поверхности и толщи горных пород, которые являются основой при применении эффективных мер заши­ ты охраняемых объектов.

V» >

Обстоятельные исследования сдвижения толщи горных пород с учетом предельного состояния массива по поверхности ослабления [2] позволили установить важные зависимости, в том числе зависи­ мость между горизонтальными сдвижениями и наклонами земной поверхности. Эта зависимость широко используется в аналитиче­ ских исследованиях и эмпирических способах расчета сдвижений земной поверхности. В последние годы сделана попытка уподобить массив горных пород дискретной среде .[22]. Перспективны аналити­ ческие исследования, использующие гипотезу влияния элементар­ ного объема выработки [17].

В настоящее время для всех основных угольных бассейнов раз­ работаны эмпирические способы расчетов деформаций земной по­ верхности, которые в общем удовлетворяют требованиям угольных и сланцевых шахт, а также проектных институтов. Указанные спо­ собы изложены в специальном руководстве [27].

Однако все они еще нуждаются в уточнении и дополнении. Од­ ним из существенных недостатков имеющихся способов является отсутствие указаний по учету фактора времени, что до. некоторой степени сужает возможности использования результатов расчетов. Недостаточно. типичны предлагаемые кривые распределения осе­ даний и деформаций пород, особенно при малых коэффициентах подработки. Аналитические исследования сдвижения горных пород и земной поверхности должны проводиться с учетом механического состояния массива и свойств горных пород в различных зонах сдвижения.

Для зоны опорного давления применимы методы механики сплошной среды, так как породы здесь находятся примущественно в условиях всестороннего сжатия и имеющиеся в массиве поверх­ ности ослабления не вызывают существенного разрыва непрерыв­ ности функций, описывающих напряженное состояние микроучаст­ ков массива.

Массив непосредственно подработанный очистной выработкой теряет сплошность по контактам слоев и в этих условиях механи­ ческие модели, уподобляющие его сплошной среде неприемлемы для расчета сдвижений и деформаций в нем, однако они могут приме­ няться с некоторыми ограничениями для исследования сдвижения земной поверхности. Объектом аналитических исследований в этой части массива могут быть отдельные прогибающиеся слои или сис­ темы слоев горных пород, а при исследованиях сдвижения неслоис­ того трещиноватого массива целесообразно использовать методы дискретной среды.

Массив, надработанный очистной выработкой прошел стадию интенсивных сдвигов и находится в зоне разгрузки (рис. 37), воз­ никающей вследствие упругого восстановления пород при частичном снятии начальной нагрузки у Н. Для приближенного исследования

304

этой части области влияния очистной выработки, приемлемы теория упругости и теория пластичности.

Аналитические исследования на рудных месторождениях в ос­ новном преследуют те же цели, что и на угольных месторождениях. Однако для этих условий практически отсутствуют достаточно обо­ снованные методы расчета деформаций земной поверхности и тол­ щи горных пород.

По-видимому, здесь нельзя рассчитывать на создание способа расчета для всей площади мульды сдвижения, в большей части которой возникают провалы, воронки, террасы и др. Пока что сле­ дует ставить вопрос о разработке способа расчета деформаций лишь для зоны плавных сдвижений.

Методически исследования должны базироваться на статистиче­ ской обработке накопленных данных, нахождении основных зави­ симостей от главных факторов и разработке расчетных методик по­ добно тому, как это делается для угольных месторождений.

§ 38. Методы и средства исследования совместной работы породных толщ н сооружений в условиях существенного влияния горных работ

Важнейшими задачами исследования совместной работы соору­ жений и породных толщ в условиях существенного влияния горных работ являются определение допустимых условий подработки экс­ плуатируемых промышленных и жш!ых комплексов, а также созда­ ние схем и методик расчета деформаций подрабатываемых сооруже­ ний для их рационального проектирования.

Совместная работа сооружений и породных толщ, залегающих в их основании, определяется не только горнотехническими условия­ ми разработки и инженерно-геологическими условиями рассматри­ ваемого района, но и в значительной степени конструктивными ре­ шениями самих сооружений.

Разнообразие конструктивных решений зданий и сооружений затрудняет создание единой теории взаимосвязи деформации под­ рабатываемого сооружения и его основания. Натурные, лаборатор­ ные и аналитические исследования направлены в первую очередь на определение критериев сохранности сооружений при подработке

исоздание конкретных расчетных методик для достаточно узких конструктивных групп эксплуатируемых и проектируемых сооружений

иотдельных конструкций. В настоящее время такие критерии и рас­ четные методики существуют, в основном, для некоторых, наиболее распространенных типов зданий с жесткой конструктивной схемой, а также подземных трубопроводов и нашли свое отраженна в ра­ ботах [15, 25, 27, 29].

305

Натурные исследования совместной работы породных толщ и со­ оружений при подработке проводятся в двух основных направле­ ниях:

визуальные и инструментальные наблюдения за подрабатывае­ мыми объектами;

строительство экспериментальных сооружений на территории, подлежащей подработке, с последующим проведением комплекса исследований при их подработке.

Основные приемы, методы и средства натурных измерений изло­ жены в главе IV.

Для характеристики взаимодействия сооружений с его основа­ нием при подработке, необходимо определение зависимостей дефор­ маций сооружения от соответствующих деформаций грунта. По этим зависимостям проверяют соответствие действительности принятых расчетных схем для подрабатываемых сооружений.

Деформации изгиба и кручения могут быть определены путем измерения вертикальных перемещений настенных реперов, располо­ женных по периметру ограждающих конструкций, а также по внут­ ренним, несущим стенам или в элементах каркаса.

Деформации растяжения (сжатия) могут быть определены пу­ тем измерения относительного горизонтального удлинения (укоро­ чения) несущих ограждающих конструкций или габарита каркаса.

Деформации скашивания в вертикальной плоскости может быть определена как разность общих горизонтальных удлинений (уко­ рочений) сооружения в различных уровнях.

Деформации скашивания в горизонтальной плоскости может

быть определена путем измерения, в процессе подработки, прираще­ ния углов между разбивочными осями сооружения в уровнях верха фундаментов и низа несущих конструкций покрытия.

При определении вертикальных и горизонтальных перемещений реперов последние рекомендуется закладывать в конструкции на раз­ личных уровнях по высоте сооружения. Вертикальные перемещения стенных реперов на уровне верха фундаментов (цоколя) могут изме­ ряться нивелирами.

Вертикальные и горизонтальные перемещения реперов, недоступ­ ных для нивелирования, могут определяться фотограмметрическим методом. Вертикальные деформации сооружения могут быть изме­ рены, кроме того, методом гидростатического нивелирования.

Горизонтальные деформации измеряются обычно стальными компарированными рулетками, либо фотограмметрическим методом. Из­ мерение приращений углов между разбивочными осями сооружений рекомендуется производить с помощью теодолитов [6].

Деформации земной поверхности являются причиной силового воздействия на подрабатываемое сооружений, передаваемого на кон­ такте его с грунтовым массивом в виде сйл нормального давления

306

на поверхности фундаментов и касательных сил по контактирующим поверхностям. Деформации земной поверхности могут быть изме­ рены непосредственно, согласно [12, 25] или же их взаимодействие на сооружение может быть оценено путем измерения названных сил,' передаваемых на сооружение со стороны подрабатываемого ос­ нования.

Силы нормального давления могут измеряться различными ди­ намометрами с использованием соответствующих измерительных i станций [8, 9 и др.].

При изучении на моделях взаимосвязи деформаций оснований и сооружений при подработке может применяться несколько способов.

Кпервому способу относится метод физического моделирования.

Вэтом случае строится подобная рассматриваемому конструктив­

ному типу сооружения модель (обычно в масштабе 1/20— 1/25 из оргстекла, либо эпоксидной смолы). Деформации модели определя­ ются с помощью электротензометрического и других методов. Мо­ дель проектируется на основании соотношений между геометриче­ скими размерами, механическими свойствами материалов, нагруз­ ками, определенных с помощью теории .подобия, являющейся тео­ ретической основой моделирования (глава III). Подобные испыта­ ния моделей крупнопанельных зданий при подработке проводились ЛенЗНИИЭПом при участии ВНИМИ, а также ЦНИИСК.

Ко второму способу относятся испытания моделей сооружений, выполненных из тех же материалов, что и натурное сооружение. Такие исследования проводит институт ЦНИИЭПжилища,

Существует также третий способ, который является как бы про­ межуточным звеном между натурным экспериментом и моделирова­ нием, когда строится сооружение в естественных условиях и имити­ руется силовое воздействие на данное сооружение цр стороны подра­ батываемого основания путем искривления его специальными дом­ кратами. Такие исследования проводились ДонпромстройНИИпроектом и ВНИМИ в Донецком бассейне.

Аналитические исследования взаимосвязи деформаций породных толщ (оснований сооружений)' и несущих конструкций сооружений в условиях существенного влияния горных работ основаны на про­ водимых экспериментальных исследованиях при подработке зданий и сооружений в натурных условиях и на моделях. Обобщение полу­ ченных данных проводится методами строительной механики. До­ полнительные усилия, действующие на здания и сооружения опре­ деляются из условий совместной деформации несущих конструкций зданий и сооружений и их оснований с учетом обобщенных жесткостных характеристик конструкций и породных толщ [25, 29].

В большинстве случаев основание принимается упругим, под­ чиняющимся гипотезе коэффициента постели как при врезании со­ оружения в грунт при его осадке в искривленное основание, так и

307

при его горизонтальных подвижках. Учитываются изгибная и сдви­ говая жесткость конструкций сооружений. В некоторых случаях дав­ ление грунтовых масс на загубленные части сооружений определя­ ется по теории предельного равновесия с необходимыми уточнениями.

Допустимые деформации подрабатываемых зданий и сооружений назначаются с учетом обеспечения эксплуатационных качеств охра­ няемых объектов, их устойчивости и прочности, а также общих тех­ нико-экономических соображений.

ЛИТЕРАТУРА

1. А в е р.ш и н С. Г. Сдвижение горных пород при подземных раз­

дошве фундаментов зданий, возводимых над горными выработками.

10.Временные указания по строительству, проектированию и экс­ плуатации вертикальных шахтных стволов в условиях существенного влияния очистных выработок. Изд. ВНИМИ, Л.г 1968.

11.Инструкция по наблюдениям за сдвижением земной поверх­ ности н за подрабатываемыми сооружениями на рудных месторожде­ ниях. Изд. ВНИМИ, Л., 1959.

12.Инструкция по наблюдениям за сдвижением земной поверх­ ности и за подрабатываемыми сооружениями на угольных и сланце­ вых месторождениях. Изд. ВНИМИ, Л., 1958.

к определению возможности выемки угля под водотоками и водоема­ ми. Труды ВНИМИ, сб. 35, Л„ 1959.

308