книги / Основы механики горных пород

трещина. Последующие горные работы будут вызывать концен­ трацию деформаций у этой трещины, даже если они будут вестись на значительном расстоянии от нее. Деформации на выходах тектонических трещин крутого падения на земную по­ верхность в несколько раз (иногда на порядок) больше, чем в обычных условиях. Тектонические трещины, подсеченные гор­

ствия процесса сдвижения горных пород. При гористом рель­ ефе, особенно в условиях значительного обводнения пород, гор­ ные работы нередко вызывают оползневые явления. В гористой местности резче проявляется концентрация деформаций на вы­ ходах иа поверхность различных поверхностей ослабления по­ родного массива.

Глава 13. СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ

§68. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ

ВРАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ

Характер и параметры процесса сдвижения в значитель­ ной мере определяются строением толщи вмещающих пород. По этому признаку все месторождения можно разделить на два ос­ новных типа: со слоистым строением пород и с неслоистым строением пород. Рассмотрим каждый тип в отдельности.

К слоистым относятся все угольные и сланцевые месторож­ дения и более 60 % рудных месторождений. На этих месторож­ дениях процесс сдвижения изучен наиболее полно. На основа­ нии выявленных здесь закономерностей разработаны методы расчета сдвижений и деформаций, позволяющие удовлетвори­ тельно решать многие задачи производства.

Основной чертой месторождений со слоистым строением пород является то, что за пределами зоны беспорядочного об­ рушения сдвижение пород висячего бока происходит в форме последовательного расслоения и прогиба пород в сторону вы­ работанного пространства, а также сдвига их по плоскостям расслоения. По мере увеличения угла падения пород в сдвиже­ ние вовлекается лежачий бок, для которого характерно спол­ зание пород по их контактам, поверхностям наслоения, сланце­ ватости и т. д.

Наряду с общими чертами процесс сдвижения горных пород на отдельных месторождениях (даже со слоистым строением пород) имеет свои специфические особенности. Эти особенности определяются в основном условиями залегания пород, систе­

мами разработки, способами управления горным давлением и другими влияющими факторами.

Месторождения со слоистым строением целесообразно раз­ делить на четыре группы в зависимости от форм залегания и

в толще изгибаются подобно плитам, защемленным по концам. Слой пород, прилегающий к земной поверхности, изгибается по­

0,3—0,5 значения максимального оседания. Горизонтальные де­ формации имеют тесную связь с вертикальными: кривизне вы­ пуклости соответствует растяжение, кривизне вогнутости — сжатие.

При наклонном и крутом залегании пород часть слоев изги­

щемленным у нижнего конца. Слои пород, изгибающиеся по­ добно консольным плитам, выходят на земную поверхность в полумульде по падению пластов. В этой полумульде наблю­ даются обычно растяжения, а в полумульде по восстанию пре­ обладают сжатия, за исключением участков, на которых проис­ ходят подвижки по напластованию слоев. На выходах мощных крутопадающих пластов образуются провалы. При наклонном, и особенно крутом, залегании пластов, горизонтальные сдвиже­ ния и деформации, как указывалось выше, преобладают над вертикальными. Кривые деформации в этих условиях часто имеют прерывистый характер, отражающий появление на зем­ ной поверхности уступов и трещин.

При складчатом залегании пород характер процесса сдви­ жения зависит от формы и размера складки. Особенно это за­ метно на складках синклинальной формы. В тех случаях, когда расстояние между выходами пласта на поверхность на разных крыльях складки соизмеримо с длиной мульды сдвижения, про­ цесс сдвижения развивается и замыкается, как правило, внутри этой складки. В тех случаях, когда размеры синклинальной складки в плане в несколько раз превышают размеры мульды сдвижения, на выходе осевой плоскости складки на поверхность (если она попала в зону влияния горных работ) наблюдается значительная концентрация деформаций. На рис. 102 приве­ дены результаты инструментальных наблюдений за сдвижением

идеформациями земной поверхности при ведении горных работ

вусловиях складчатого залегания пород. Как видно из рисунка, на выходе осевой плоскости складки образовался уступ высотой до 40 см и развились горизонтальные деформации до 22х10_3,

а за пределы выхода этой плоскости сдвижение практически не распространилось. Чтобы лучше представить насколько ано­ мально развивается процесс сдвижёния в условиях синклиналь­ ной складки, на рисунке пунктирной линией показаны расчет­ ные сдвижения и деформации, которые имели бы место при выдержанном залегании пласта (при том. же угле падения, глу­ бине, мощности и прочих равных условиях).

В условиях несогласного залегания пород характер процесса сдвижения зависит от мощности несогласно залегающих пород

и их доли в составе общей толщи. Наиболее часто несогласно

скоренными породами залегают третичные и четвертичные от­ ложения (наносы). При мощности менее 20 м и долевом учас­ тии менее 10 % наносы практически не оказывают влияния на

характер процесса сдвижения. При мощности наносов более 100 м и их долевом участии более 50 % влияние угла падения на развитие процесса сдвижения почти полностью сглажива­ ется и характер распределения деформаций в мульде сдвиже­ ния получается таким же, как и при горизонтальном залегании коренных пород. В этих условиях происходит обычно сдвиг ко­ ренных пород относительно наносов, вызывающий нередко зна­ чительные деформации вертикальных стволов шахт. В тех слу­ чаях, когда наносы составляют 10—50 % общей толщи пород, влияние угла падения на процесс сдвижения в той или иной степени сглаживается, при этом характер распределения дефор­ маций в мульде сдвижения подобен характеру распределения при некотором условном угле, занимающем промежуточное по­ ложение между углами наклона коренных пород и наносов. Зна­ чение этого условного угла а' во многих случаях удовлетворяет зависимости

где a — угол падения коренных пород; h — мощность наносов; Я — глубина горных работ.

При отрицательных значениях tg a' угол а' принимают рав­ ным нулю.

К неслоистым относятся в основном месторождения, зале­ гающие в крепких магматических или метаморфических поро­ дах. Формы этих месторождении весьма различны: от пласто­ образных и жилоподобных залежей до отдельных рудных вкраплений. Соответственно различен "на них и характер про­ цесса сдвижения, что существенно затрудняет выявление зако­ номерностей его развития и разработку методов расчета дефор­ маций горных пород и земной поверхности. Поэтому расчеты деформаций в рассматриваемых условиях не получили такого широкого распространения, как на месторождениях со слоис­ тым. строением пород. Часто, на месторождениях с. неслоистым

строением пород ограничиваются установлением угловых пара­ метров процесса сдвижения, определяющих границы всей мульды и ее отдельных зон. Процесс сдвижения при неслоистом строении пород развивается преимущественно в форме переме­ щения структурных блоков в сторону выработанного простран­ ства. Наиболее вероятными местами образования поверхностей отрыва являются поверхности структурных неоднородностей, в частности крутопадающие тектонические трещины, особенно если они подсечены горными работами. Края мульды сдвиже­ ния круче, а ее граница выражена четче, чем при слоистых по­ родах. Нередко эта граница проходит по крайней трещине на земной поверхности, и углы сдвижения совпадают с углами раз­ рывов. Значения этих углов больше зависят от углов наклона трещин, по которым происходит сдвиг блоков, чем от углов па­ дения залежи и прочности вмещающих пород.

Следует заметить, что геологические нарушения оказывают существенное влияние на процесс сдвижения и в условиях сло­ истого строения пород. На выходах этих нарушений на поверх­ ность (или под наносы) наблюдается резкая концентрация де­ формаций, нередко с образованием уступов и трещин.

§ 69. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ

В процессе сдвижения горных пород одни участки толщи деформируются подобно упругим телам, другие— подобно пла­ стичным, третьи — подобно сыпучим и т. д. Поэтому создать универсальный аппарат формул, удовлетворительно описываю­ щий процессы, происходящие во всей толще, подвергшейся влиянию горных работ, чрезвычайно сложно, так как этот ап­ парат должен был бы базироваться одновременно на законах деформирования упругой, пластичной, сыпучей и других сред. Вопрос усложняется еще п тем, что одни и те же участки в раз­ ные стадии процесса деформируются по разным законам.

В связи с указанным большинство исследователей давали математическое описание процесса сдвижения применительно к конкретным условиям и поставленным задачам. Особенно ши-, рокое распространение получили формулы, описывающие ха­ рактер распределения деформаций в мульде сдвижения при за­ кончившемся процессе сдвижения. Эти формулы необходимы для решения вопросов защиты сооружений, от вредного влияния горных разработок и имеют большое практическое зна­ чение.

Наиболее четко прослеживаются закономерности распреде­ ления сдвижений и деформаций при плавном характере дефор­ мирования земной поверхности. Исходя из этих закономерно­ стей проф. С. Г. Авершин предложил аналитическую зависи­

где уа, Уа — пределы интегрирования; (fn(y), у 2(у) — уравнения границ выработки.

Этот интеграл в конечном счете не берется, но может быть решен одним из приближенных методов, в частности методом Симпсона.

§ 70. ПОЛНЫЙ КОМПЛЕКС НАБЛЮДЕНИЙ ДЛЯ УСТАНОВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СДВИЖЕНИЯ ПОРОД

Для установления характера и параметров сдвижения горных пород в различных условиях проводят специальные ин­ струментальные наблюдения в толще пород и на земной по­ верхности, используя с этой целью наблюдательные станции, краткая характеристика которых давалась в гл. 5.

В зависимости от назначения, конструкции и сроков сущест­ вования различают следующие типы наблюдательных станций.

1. Д о л г о в р е м е н н а я н а б л ю д а т е л ь н а я с т а н ц и я предназначена для получения основных параметров сдвижения горных пород и земной' поверхности, установления характера распределения деформаций в мульде сдвижения и закономерно­ стей их накопления при выемке свиты пластов или одного пла­ ста на нескольких горизонтах. Продолжительность существо­ вания станции и наблюдений на ней не менее трех лет, с уче­ том этого реперы на станции этого типа закладывают капи­ тально. Особое внимание уделяют качеству кернов на реперах, так как коррозионные воды быстро разъедают верхнюю часть репера вместе с керном. Чтобы сохранить керн до конца наблю­ дений, его глубина должна быть не менее 4—5 мм.

2. Р я д о в а я н а б л ю д а т е л ь н а я с т а н ц и я предна­ значена для получения основных параметров сдвижения, его за­ кономерностей и характера при выемке одного-двух пластов на одном горизонте. Продолжительность существования станции и наблюдений на ней обычно от 1 года до 3 лет. Однако послед­ нее время срок службы рядовых станций часто стал превышать 3 года, так как при современных глубинах продолжительность

ц и я предназначена для получения отдельных параметров сдви­ жения: скорости оседания и горизонтального сдвижения, ско­ рости изменения вертикальных и горизонтальных деформаций, углов сдвижения по простиранию при движущемся забое. По результатам кратковременных наблюдений определяют значе­ ния сдвижений и деформаций, продолжительность всего про­ цесса сдвижения и его отдельных стадий. Срок службы крат­ ковременной станции устанавливают в зависимости от кон­ кретных условий и поставленных задач. Более подробная характеристика этих станций будет дана ниже.

4. С п е ц и а л ь н а я н а б л ю д а т е л ь н а я с т а н ц и я предназначена для детального изучения отдельных вопросов, связанных со сдвижением горных пород и земной поверхности, охраной конкретных сооружений, горных выработок, природных объектов и пр. Наиболее часто специальные станции заклады­ вают для определения взаимосвязи деформаций грунта и соору­ жений, изучения влияния деформаций подработанной толщи и земной поверхности на фильтрацию из водных объектов в под­ земные горные выработки, установления условий и мест об­ разования сосредоточенных деформаций (подвижек по напла­ стованию, уступов и трещин), определения зон разгрузки и повышенных напряжений в толще горных пород для выбора рациональных параметров систем разработки, способов охраны выработок и мер безопасного ведения горных работ.

К числу специальных относят иногда комплексные наблюда­ тельные станции, представляющие собой систему реперов в толще горных пород (в скважинах, горных выработках) и на земной поверхности, расположенных в определенном порядке и увязанных между собой. Пример такой комплексной наблюда­ тельной станции приводился в гл. 5. По исполнению эти стан­ ции сложны и трудоемки, но весьма эффективны. Они позво­ ляют глубже изучить природу и механизм рассматриваемого явления, связать в единое целое разные формы проявления гор­ ного давления и сдвижения пород, создать основу для более стройной теории и более универсальных методов расчета сдви­ жений и деформаций горных пород. При закладке наблюдатель­ ных станций существенно определение длины профильной линии и ее отдельных участков. На рис. 103 приведен пример такого определения при разработке двух пластов крутого падения. Ра­ бочая часть профильной линии определяется пересечением зем­ ной поверхности линиями, проведенными от верхней и нижней границ проектируемой очистной выработки под граничными уг­ лами Ро и уо (точки А и Г). На каждом конце профильной ли­ нии закладывают не менее трех контрольных, и двух опорных реперов. Расстояние между контрольными реперами примерно 15, между опорными — 50 м. Участок, на котором ожидается появление уступов и трещин, определяется углом сдвижения {3 и углом максимального оседания 0 (участок БВ). На этом уча­ стке реперы закладываются через 2—3 м. Расстояние между ре­ перами на остальной части линии принимают равным примерно 0,1 Я, но не более 30 м. Анализ результатов наблюдений и опыт составления типовых кривых показал, что более целесообразно принимать расстояние между реперами одинаковым и равным 15 м. В этом случае кривые деформаций легче сопоставлять, а анализ и обобщение полученных данных более правомерны, так как значения деформаций при прочих равных условиях за­ висят от длины интервалов, при которых они получены.