книги / Основы механики горных пород
..pdfгде b — устойчивая ширина |
целика; w — линия |
наименьшего |
сопротивления; — диаметр заряда. |
|
|
Однако в этих зависимостях совершенно не учтены дефор |
||
мационно-прочностные характеристики пород, а |
также масса |
|
заряда и тип ВВ. |
в методе оценки сейсмоустойчи- |
|
Эти недостатки устранены |
||
вой ширины целиков, предложенном проф. А. Н. Ханукаевым [154]. При этом учет влияния взрывных воздействий основан на определении так называемых критических значений приведен ной массы £аряда (или обратной ее величины — приведенного
расстояния г).
Приведенная масса q представляет собой расчетный пара метр, связывающий массу заряда q и расстояние от центра за ряда г:
<7= ] / q / r . |
(202) |
Для определения устойчивой ширины целика по эксперимен тальным данным устанавливают эмпирическую зависимость ме
жду радиальными напряжениями и приведенным расстоянием г, а затем возможные радиальные напряжения сравнивают с пре делом прочности пород на растяжение. _
Таким путем определяют то критическое значение г, кото рое соответствует пределу прочности пород на растяжение, и ис ходя из этого значения устанавливают параметры целиков так, чтобы в них исключалось возникновение опасных разрушающих напряжений. Если же изменить размеры целиков невозможно или нецелесообразно, то необходимо уменьшать массу одновре менно взрываемого заряда. Весьма эффективно при этом при менение короткозамедленного взрывания.
Однако и этот метод не дает возможности учесть в полной мере как свойства пород, так и особенности их разрушения при взрывных воздействиях.
Дальнейшим развитием подобных эмпирических подходов следует считать методы оценки устойчивости краевых зон вы
работок и целиков по формулам, типа [167] |
|
~гс = К */д, |
(203) |
где гс — радиус безопасного сейсмического воздействия взрыва;' К — эмпирический коэффициент, учитывающий деформационнопрочностные свойства массива пород.
На рис. 97 представлены экспериментальные зависимости размеров сейсмобезопасных целиков от массы заряда ВВ, взрыт ваемого одновременно для условий рудников с различными зна: чениями коэффициента К. Максимальные значения К, а следо вательно, и максимальные радиусы сейсмического воздействия
Рис. 97. Зависимости размеров сенсмобезопасных целиков от массы за ряда ВВ для условий различных руд ников.
/ —«Каула»; |
2 — нм. |
Губкина; |
3 — Мнр- |
галимсайскнй; |
4 — им. |
Коминтерна; 5 — |
|
Дегтярский; |
6 — Зыряновскнй и |
Ташта- |
|
гольскнй; 7 — им. Р. Люксембург; |
8 — Вы- |
||
|
сокогорскнй. |
|
|
соответствуют слоистым породам с широким развитием глини стых прослойков, высокотрещиноватым и рассланцованным породам. Минимальные значения свойственны относительно мо нолитным рудам с расстоянием между трещинами в них 1— 1,5 м.
Если при оценке устойчивости обнажений пород описанными методами выявлена вероятность их разрушения под воздей ствием взрывных нагрузок, то необходимо предусматривать специальные мероприятия, направленные на повышение устой чивости элементов систем разработки.
Такие мероприятия помимо короткозамедленного взрывания
могут включать |
в себя также |
изменение |
места инициирова |
ния удлиненных |
(скважинных) |
зарядов. |
Последнее основано |
на приурочивании максимума импульса давления детонирую щего заряда к месту расположения патрона-боевика. С целью повышения устойчивости обнажений пород патроны-боевики во взрывных скважинах необходимо располагать таким обра зом, чтобы они находились как можно дальше от поверхно стей, устойчивость которых необходимо обеспечить.
Кроме мероприятий, направленных на совершенствование взрывных работ, могут применяться также и другие методы, в частности закладка выработанных пространств или магазинирование руды в камерах, применение различных видов крепей (особенно эффективна штанговая крепь), устройство экраниру ющих целей — специальных узких полостей, располагаемых на пути падающей волны и тем самым защищающих целики и горные выработки.
В связи с ростом глубины горных работ все большую акту альность приобретает задача создания общих расчетных мето дов, учитывающих не только особенности разрушения массива горных пород при импульсных нагрузках, но и воздействие взрывных нагрузок в условиях высоких статических напряже ний. В решении этой задачи сделаны лишь первые шаги.
р а з д е л
Y
СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПОД ВЛИЯНИЕМ РАЗРАБОТКИ
Глава 12. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ
§ 64. ОБЛАСТЬ СДВИЖЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Проведение выработок в угольных пластах, рудных за лежах и других полезных ископаемых нарушает равновесие горных пород, в результате чего последние деформируются и сдвигаются. Обычно сдвижение пород достигает земной поверх ности, и она также претерпевает деформации.
Сдвижение горных пород может происходить и под влия нием тектонических процессов, выщелачивания, водопонижения, изменения механических свойств пород (при увлажнении или же обезвоживании) и других причин.
Таким образом, под сдвижением горных пород и земной по верхности понимают их перемещение и деформирование в ре зультате нарушения равновесия пород под влиянием горных разработок или различных естественных (природных) про цессов.
Сдвижение пород начинается обычно с прогиба кровли вы работок, пройденных по пласту или залежи полезного ископае мого. По мере увеличения площади выработанного пространства прогиб пород растет, в сдвижение вовлекается все большее число слоев, происходит сдвиг пород по плоскостям напласто вания, в толще появляются секущие трещины и трещины рас слоения, при этом слои непосредственной кровли разбиваются обычно на отдельные блоки и обрушаются.
Под влиянием горных работ в движение приходят также породы почвы, испытывающие поднятие. Поднятие почвы и вы давливание ее в сторону выработанного пространства объясня ется снятием с нее нагрузки от вышележащих пород и пере распределением горного давления.
Впроцессе сдвижения происходит изменение объема пород:
взоне повышенного (опорного) давления породы уплотняются, а в зоне обрушения разрыхляются. Разрыхленная порода, уве
личиваясь в объеме, заполняет выработанное пространство и создает подпор вышележащим слоям.
Рис. 98. Главные сечения мульды сдвижения |
вкрест простирания (а, в) |
и |
||||
по простиранию (б, г) |
при неполной |
(а, б) |
и полной подработке (в, |
г). |
||
1 — полезное ископаемое; |
2 — выработанное |
пространство; |
3 — земная |
поверхность |
до |
|
подработки; 4 — мульда сдвижения; 5 — участок |
с «плоским |
дном». |
|
|||
Инструментальные наблюдения за сдвижением толщи гор ных пород и земной поверхности показывают, что изменение напряженного состояния и сдвижение породного массива, вы зываемые подземными горными работами, распространяются на значительные расстояния, нередко в несколько раз превы шающие размеры выработок.
Часть породного массива, подвергшуюся сдвижению под влиянием горных разработок, принято называть областью сдви жения горных пород, а соответствующую часть земной поверх ности— мульдой сдвижения (рис. 98).
Вертикальные сечения мульды по простиранию и вкрест простирания пласта, проходящие через точки с максимальным оседанием земной поверхности, называют главными сечениями мульды сдвижения.
Границы мульды сдвижения определяются граничными уг лами. Это внешние относительно выработанного пространства углы, образованные на вертикальных разрезах по главным се чениям мульды горизонтальной линией и линиями, соединяю щими границы выработанного пространства с граничными точ ками сдвижения (в качестве которых принимают обычно точки,
получившие оседания 10—15 мм). Различают граничные углы по простиранию ôo, по падению |30 и по восстанию уо пласта или залежи.
Углы, образованные с горизонтом линиями, соединяющими границы горных работ и внешние границы зоны опасных дефор маций, носят название углов сдвижения. Определяют их так же, как и граничные углы (на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения). Различают углы сдвижения в ко ренных породах и наносах.
При определенном соотношении размеров выработанного пространства и глубины разработки в мульде сдвижения об разуется плоское дно, т. е. участок с максимально возмож ными оседаниями при данной мощности и угле падения пласта (залежи). На этом участке сдвижения носят в основном рав номерный характер. Условия, при которых в мульде сдвижения образуется плоское дно, принято называть полной подработкой земной поверхности.
Границы плоского дна определяются углами полных сдвиокений фь фг и ф3. При неполной подработке положение точки, имеющей максимальное оседание, определяется углом макси мального оседания 0.
Сдвижения точек земной поверхности, возникающие под влиянием горных разработок, могут иметь разные значения и направления. Принято вертикальную составляющую вектора перемещения точки поверхности называть оседанием и обозна чать г|. Соответственно горизонтальные составляющие назы вают горизонтальными сдвижениями и обозначают g (в направ
лении |
вкрест простирания) и Ç (по направлению простирания). |
В |
условиях неполной подработки максимальное оседание |
наблюдается, строго говоря, в одной точке мульды сдвижения и обозначается г)шах, а при полной подработке значения макси мальных оседаний характерны для множества точек плоского дна, они обозначаются г|о.
Неравномерность сдвижения горных пород вызывает дефор мации земной поверхности. Для характеристики деформаций используют следующие параметры:
а) н а к л о н ы и н т е р в а л о в в м у л ь д е с д в и ж е н и я I — отношения разности оседаний двух точек мульды к расстоя нию между ними, выраженные безразмерной величиной; при расчете деформаций наклон характеризует неравномерность распределения оседаний в сечении мульды сдвижения и опре деляется как первая производная функция оседания;
б) к р и в и з н а |
м у л ь д ы с д в и ж е н и я |
Кр — отношение |
разности наклонов |
двух соседних интервалов |
мульды к полу |
сумме длин этих интервалов; кривизна характеризует неравно мерность распределения наклонов в сечении мульды сдвижения и определяется как вторая производная функции оседания;
различают измеренную кривизну мульды, получаемую непо средственно по данным измерений, и расчетную кривизну мульды, полученную расчетным путем (сглаженная кривизна); в) р а д и у с к р и в и з н ы м у л ь д ы с д в и ж е н и я — вели чина, обратная кривизне мульды сдвижения, выраженная в мет
рах R KJ>=1/Кр;
г) о т н о с и т е л ь н ы е г о р и з о н т а л ь н ы е д е ф о р м а ци и в мульде сдвижения е — отношения разности горизонталь ных сдвижений двух точек мульды к расстоянию между ними, выраженное безразмерной величиной; при растяжении е поло жительно, при сжатии отрицательно; горизонтальные деформа ции характеризуют неравномерность горизонтальных сдвижений в мульде и определяются как первая производная этих сдви жений.
В мульде сдвижения выделяют зону опасных деформаций, за пределами которой деформации не превышают следующих кри тических значений: наклоны мульды сдвижения t = 4 • 10—3; кри
визна |
Кр = 2'10 -4 |
м-1; горизонтальные деформации е= 2 -10 _3. |
В |
зависимости |
от условий разработки деформации горных |
пород |
и земной поверхности носят плавный или же сосредото |
|
ченный характер. Концентрация деформаций на отдельных участках вызывает образование в толще пород и на земной по верхности трещин и уступов, оказывающих крайне неблагопри ятное влияние на подрабатываемые объекты. Иногда на зем ной поверхности образуются провалы. В условиях горизонталь ного и пологого залегания пластов трещины, уступы и провалы возникают при отработке мощных залежей полезного ископае мого на небольших глубинах. Провалы появляются и на выходах под наносы крутопадающих пластов средней мощ ности.
При разработке свит пластов наклонного, и особенно кру того, падения трещины и уступы могут образоваться практиче ски при любой известной глубине разработки. Так, на шахте «Кочегарка» (Донбасс) уступы на земной поверхности наблю
дались при глубине разработки около 900 м. |
зоне |
растяжения |
|
Образуются уступы |
преимущественно в |
||
(в полумульде по падению пластов L\) и бывают |
двух видов |
||
(рис. 99): прямые (обращенные в сторону выхода |
пласта) и |
||
обратные (обращенные |
в противоположную |
сторону). Прямые |
|
уступы образуются в условиях крутого падения, когда слои крепких пород зависают или сдвигаются меньше, чем слои сла бых пород. При этом обычно появляются трещины значитель ной ширины. Обратные уступы образуются под действием касательных напряжений, возникающих по плоскостям напла стования при изгибе слоев. Как правило, сдвиг происходит по прослойкам, имеющим значительно меньший коэффициент тре ния, чем остальные коренные породы. При обратных уступах
ШЩ1 |
|
|
в |
7 |
|
Рис. 99. Виды уступов при разработке крутопадающих пластов. |
|
||||
/ — прямой |
уступ; |
// — обратные уступы. |
сланец; 5 —слои |
гор |
|
/ — песчаник; 2 — песчаный сланец; |
3 — известняк; |
4 —глинистый |
|||
ных пород до деформирования; 6 — слои |
горных |
пород после |
деформирования; |
7 — |
|
земная поверхность до деформирования. |
|
|
|||
в большинстве случаев трещины наблюдаются не в коренных породах, а в наносах.
Большое значение при выборе мер охраны подрабатываемых объектов имеет характер развития процесса сдвижения во вре мени. Период, в течение которого земная поверхность над вы работанным пространством находится в состоянии сдвижения, принято называть общей продолжительностью процесса сдви жения. Она делится на три стадии: начальную, интенсивную и затухания.
Начальная стадия занимает около 30 % общей продолжи тельности процесса сдвижения. Оседание земной поверхности за этот период достигает 0,15 Timas-
Интенсивная стадия начинается при подходе забоя непо средственно под рассматриваемую точку. Она занимает около 40 % общей продолжительности процесса сдвижения. За этот период земная поверхность оседает до 0,7 т]таХ.
Стадия затухания охватывает период, равный примерно 30 % общей продолжительности процесса сдвижения. Заканчи вается эта стадия, как правило, при отходе забоя от рассмат риваемой точки на расстояние (1,2ч-1,4) Я, где Я — глубина выработки от поверхности.
Из общей продолжительности процесса сдвижения обычно выделяют период опасных деформаций, т. е. период, в течение которого наиболее вероятно появление повреждений в подраба тываемых объектах. Нередко его связывают со скоростью осе даний земной поверхности. Так, в ряде нормативных докумен тов под периодом опасных деформаций понимают промежуток времени, в течение которого земная поверхность оседает со скоростью не менее 50 мм в месяц при пологом и наклонном
залегании пластов или рудных тел и не менее 30 мм в месяц в условиях крутого залегания. При такой формулировке поня тие «период опасных деформаций» является несколько услов ным, поскольку оно не увязано с конструктивными и эксплу атационными особенностями подрабатываемых объектов. Тем не менее замечено, что во многих сооружениях существенные деформации появляются именно в этот промежуток времени. Поэтому, несмотря на условность такого понятия в указанной формулировке, оно получило широкое распространение.
§ 65. ЗОНЫ СДВИЖЕНИЯ ПОРОД
Отдельные участки толщи пород, подвергшейся влия нию горных работ, имеют определенные различия как по ха рактеру, так и по степени деформирования пород. При состав лении схем сдвижения участки, относительно близкие по этим характеристикам, объединяются в зоны. В общем случае де формированный массив можно разделить на 11 зон в условиях пологого и 12 зон в условиях крутонаклонного и крутого зале гания пластов и жил (рис. 100).
В зоне /, расположенной непосредственно над очистной вы работкой, породы наиболее деформированы и разделены на от дельные куски и мелкие блоки. Она обычно носит название
зоны обрушения.
Для определения высоты зоны обрушения предложено не сколько различных формул. Так, проф. С. Г. Авершин реко
мендует формулу |
|
|
||
|
|
А = 3 ------- --------, |
(204) |
|
|
|
(/г — 1) c o s а |
|
|
где h — высота |
зоны обрушения; |
т — вынимаемая мощность |
||
пласта; |
k — коэффициент разрыхления |
пород, определяемый |
||
опытным |
путем |
(колеблется от 1,1 |
до |
1,4); а — угол падения |
пласта.
Проф. Г Н. Кузнецов разделяет зону обрушения на две ча сти: беспорядочного обрушения (нижнюю) и относительно упо рядоченного расположения обломившихся блоков (верхнюю).
Суммарные мощности |
пачек слоев кровли, образующих |
ниж- |
|
i |
п |
|
|
нюю Yjh и верхнюю |
Z h части |
зоны обрушения, он предла- |
|
1 |
1+1 |
|
|
гает определять из выражений |
|
|
|
|
1)ÇA < (2,0ч-2,5)hi+1; |
(205) |
|
|
i |
п |
|
1)Z Л -(/гв— 1) Z h < hn+1, |
(206) |
|
) |
f+l |
|
Рис. 100. Схема сдвижения горных пород при разработке пластовых сторождений.
Зона: / — обрушения; // и V7/— разломов; III и IX— активных трещин; IV и локальных трещин; V и XI —плавного прогиба; VI и VIII— опорного давления;
и XI1а— сдвига пород по напластованию.
ме
X —
XII
где kH и kB— коэффициенты разрыхления пород соответственно в нижней и верхней частях зоны обрушения.
Недостатком приведенных формул является трудность опре деления коэффициентов разрыхления, что ограничивает возмож ность их применения. В практике горного дела высоту зоны об рушения принимают обычно равной (З-ьб)т.
Зона II прилегающая к зоне обрушения, характеризуется развитием в прогибающихся слоях нормально секущих трещин и трещин расслоения, разбивающих массив на крупные блоки (рис. 101) и образующих систему сквозных водо- и газопрово дящих каналов с малым аэродинамическим сопротивлением, практически не оказывающим влияния на прохождение по ка налам растворов и газов. Эту зону целесообразно называть зо ной разломов.
В зоне III секущие трещины, идущие от верхней и нижней поверхностей изгибающего слоя, достигают трещины расслое ния (рис. 101) и создают систему водо- и газопроводящих тре щин со значительным аэродинамическим сопротивлением, ко торое растет пропорционально удалению их от разрабатывае мого пласта. Зону III можно назвать зоной активных трещин.
В зоне IV деформации растяжения, вызванные изгибом слоя, достигают критических значений в породах, прилегающих к верхней и нижней поверхностям слоя. Чем ближе слой рас положен к горным работам, тем глубже распространяются в нем критические деформации и тем больший объем пород раз рушается. Одновременно под.влиянием касательных напряже ний, вызванных изгибом слоя, в нем появляются деформации сдвига и зарождаются трещины расслоения. Но поскольку про тяженность этих трещин и глубина секущих трещин в четвертой зоне невелики (рис. 101), сквозной водо- и газопроводящей
Рис. 101. Образование и развитие трещин в слои стом массиве.
/ — секущие трещины; 2— тре
щины расслоения.
системы трещин в этой зоне не образуется. Зоне IV подходит название зоны локальных трещин.
Зона V характеризуется прогибом пород без разрыва их сплошности. Ей соответствует название зоны плавного прогиба.
Зона VI отличается повышенными по сравнению с осталь ным массивом напряжениями и деформациями сжатия в вер тикальном направлении. Находится она над целиком (или мас сивом), примыкающим к выработанному пространству, и носит название зоны опорного давления.
Перечисленные шесть зон находятся в подработанной толще пород. В надработанной толще имеется пять зон (зона обру шения отсутствует), при этом зоны VII, VIII, IX и XI по своим качественным характеристикам соответствуют зонам II, III, IV, V и VI подработанной толщи, но все зоны, образующиеся в над работанной толще, расположены ближе к разрабатываемому пласту, чем в подработанной. При определенных углах падения пород происходит сползание слоев (преимущественно по плос костям напластования) и в толще появляются зоны XII (в под работанной толще) и XI1а (в надработанной).
Участки зон V и VI, прилегающие к земной поверхности, не редко выделяют в отдельную зону, так как они имеют ряд спе цифических особенностей. В этой зоне могут образоваться тре щины разрывов, выходящие на земную поверхность вблизи гра ницы мульды сдвижения. Обычно эти трещины быстро затухают
сглубиной.
Взависимости от условий разработки, способов управления кровлей и других влияющих факторов число и местоположение зон может отличаться от приведенной выше схемы. Так, при за кладке выработанного пространства или при управлении кров лей способом плавного опускания зона обрушений, как пра вило, отсутствует, и непосредственно над выработанным прост ранством располагаются зоны разломов или трещин. При малой