книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках
..pdfСДВИЖЕНИЕ
ГОРНЫХ
ПОРОД И ЗЕМНОЙ
ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПОДЗЕМНЫХ РАЗРАБОТКАХ
Под общей редакцией проф.,
д-ра техи. наук В. А. БУКРИНСКОГО канд. техн. наук Г В. ОРЛОВА
МОСКВА «НЕДРА» 1984
Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках. Под общей ред. проф., д-ра техн. наук В. А. Букринского и канд. техн. наук Г. В. Орлова. М. Недра, 1984. 241? о.
Приведены теоретические разработки по сдвижению горных по род и земной поверхности при подземных разработках угольных и
рудных месторождений, при геотехнологических методах разра ботки н подземной газификации. Рассмотрены методы расчета ве
личин сдвижения и деформаций, некоторые новые закономерности формирования мульды сдвижения, допустимые условия подработ
ки. Даны рекомендации по применению мер защиты зданий и со
оружений, сокращению размеров охранных целиков.
Для ннженеров-маркшейдеров горных предприятии, научно-ис
следовательских и проектных институтов.
Табл. 29, ил. 70, список лит.— 45 назв.
Авторы:
В. Я. Борщ-Компониец, Я. М. Батугина, В. М. Варлашкин,
В.К. Капралов, Я. Г. Лисица, Л. Н. Медянцев, С. Л. Медянцев.
ГВ. Орлов, Е. Г. Петрук, /О. В. Посыльный, Я. Я. Романов,
А.Д. Сашурин, Л. Г Шадрин
Ре ц е н з е н т — чл.-корр. АН Каз. ССР Я. Я. Попов (Караган
динский политехнический институт)
2501000000—526
СÔ43(Ôl)-^84----- СВ°А- пл. подписных изд. 1984 г.
@Издательство «Недра». 1984
Всоответствии с «Основными направлениями экономического
исоциального развития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года», утвержденными XXVI съездом КПСС, в горнодобы
вающей промышленности СССР проводится большая работа по увеличению объемов добычи полезных ископаемых, внедрению но вых малоотходных, безотходных и энергосберегающих технологий, повышению комплексности и полноты использования минерально го сырья.
Изучение сдвижения горных пород и охраны сооружений пред усматривает наиболее полное и рациональное извлечение полез ных ископаемых из недр.
В основных горнодобывающих районах нашей страны значи тельные запасы полезных ископаемых находятся под застроенны ми территориями. Максимальное вовлечение запасов в эксплуата цию неразрывно связано с использованием экономичных и эффек тивных способов защиты сооружений и природных объектов от вредного влияния горных разработок. Для создания этих способов защиты был проведен комплекс исследовательских работ, кото рые можно разделить на четыре группы:
1)исследование сдвижения горных пород и земной поверхно сти над горными выработками;
2)исследование взаимосвязи деформации-земной поверхности
исооружений;
3)разработка строительно-конструктивных мер защиты соору
жений; 4) анализ влияния технологических систем разработки полез
ных ископаемых на деформацию земной поверхности.
Исследования проводились путем'инструментальных наблюде ний в натурных условиях на специально заложенных станциях, моделирования на эквивалентных материалах. В ряде бассейнов наблюдения ведутся уже в течение десятков лет. Обобщение и анализ обширного материала наблюдений позволили выявить ос новные закономерности сдвижения горных пород и разработать методы расчета сдвижений и деформаций земной поверхности, по лучивших широкое практическое применение.
Методы расчета, принятые в настоящее время, разработаны для условий, когда известно расположение выработок в пластах (полная методика) и когда расположение выработок в пластах не известно (упрощенная методика). П о л н а я м е т о д и к а позво-
ляет определять ожидаемые деформации земной поверхности в лю бой точке мульды сдвижения. В основу этой методики положены типовые кривые распределения вертикальных сдвижений. Сущест вуют теоретические и эмпирические способы определения типовых кривых. Наибольшее распространение получили эмпирические ти повые кривые, выведенные непосредственно из данных натурных наблюдений и заданные таблично, графически или путем подбора аппроксимирующих функций. М е т о д т и п о в ых к р и в ы х ока зался наиболее удобным. Имея данные натурных наблюдений, можно просто получить типовые кривые для • конкретных горно геологических условий данной шахты или данного района. При этом формулы для расчета сдвижений и деформаций остаются не изменными.
Возможности метода типовых кривых еще не исчерпаны, име ются пути дальнейшего совершенствования и уточнения этого ме тода. Об этом свидетельствует, в частности, ряд исследований, по мещенных в настоящей книге.
Метод типовых кривых включает в себя определение границ мульды сдвижения как по площади, так и в главных ее сечениях, что недостаточно изучено и требует дальнейшего уточнения. Не достаточно выяснено влияние на типовую кривую фактора време
ни, скорости подвигания очистного забоя, |
активизации сдвиже |
ния горных пород от влияния смежных лав и др. |
|
У п р о щ е н н а я м е т о д и к а расчета |
позволяет определять |
максимальные деформации земной поверхности как при выемке одного пласта, так и при разработке свиты пластов. Эта методика находит все большее применение на практике (особенно в проект ных организациях).
Существующие методы расчета имеют ограниченную область применения. Они неприменимы в особо сложных горно-геологиче ских и горнотехнических условиях: наличие в толще дизъюнктив ных геологических нарушений, складчатое залегание пластов, го ристый рельеф, камерная система отработки пластов и т. д.
Недостаточно изучены характеры сдвижения земной поверхно сти при ведении горных работ на больших глубинах, активиза ции сдвижения горных пород при разновременной разработке сви ты пластов и природа неравномерности распределения деформа ций в мульде сдвижения и др.
Существующие методы расчета сдвижений и деформаций дол жны совершенствоваться в связи с изменением горно-геологиче ских условий и развитием науки о сдвижении горных пород. Необ ходимо, чтобы новые методы охватывали больший круг горно-гео логических условий, позволяли рассчитывать деформации с боль шей точностью и могли быть применены для неизученных место
рождений.
В основу существующей полной методики, как отмечалось, по ложен принцип типовых кривых. Наряду с этим могут быть раз работаны методы расчета сдвижений и деформаций, в основу ко торых положены иные принципы.
В настоящей книге приведены расчетные схемы сдвижений и деформаций на основе использования функции затухания сдви жений в слоистом массиве.
Исследования взаимосвязи деформаций земной поверхности и сооружений проводились с целью определения характера деформи рования сооружений при сдвижении основания вследствие подра ботки, определения допустимых условий подработки и допустимых деформаций, коэффициентов взаимосвязи деформаций сооруже ний с деформациями земной поверхности и др. Эти исследова ния явились связующим звеном между исследованиями сдви жения земной поверхности и исследованиями строительно-конст руктивных мер защиты сооружений.
Основным методом исследований этой группы явились инстру ментальные наблюдения, в которые входили маркшейдерско-гео дезические, тензометрические и фотограмметрические измерения.
Результаты этих исследований явились основой при составле нии нормативных документов по защите существующих и проекти руемых сооружений. В' этой области также остаются нерешенны ми или недостаточно решенными многие вопросы, относящиеся, главным образом, к допустимым условиям подработки и допусти мым деформациям разного типа сооружений и природных объек тов.
Вопросы сдвижений горных пород и охраны сооружений на рудных месторождениях менее изучены, чем на угольных. Это объясняется сложностью горно-геологических условий, влиянием на процесс сдвижения тектонических полей напряжений в районе месторождений, большим разнообразием применяемых систем разработок и трудностями получения параметров сдвижения вследствие длительности процесса сдвижения на большинстве руд ных месторождений.
В данной книге изложены особенности сдвижения горных по род и земной поверхности при разработке некоторых рудных ме сторождений Урала и Сибири, приведены расчетные схемы для этих условий. Учитывая, что в последние годы все большее вни мание уделяется геотехнологическим методам разработки место рождений полезных ископаемых, в настоящей книге освещены также основные закономерности процесса сдвижения горных по род и земной поверхности при подземной газификации углей и геотехнологической добыче серы.
Книга написана по инициативе маркшейдерской секции Цент рального правления НТГО. Отзывы и замечания просьба направ лять по адресу: 103006 Москва, К-6, Каретный ряд, 10/18, Цент ральное правление НТГО (маркшейдерская секция).
1.РАСЧЕТЫ СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В ДОНБАССЕ
1.1.СДВИЖЕНИЕ ТОЛЩИ ГОРНЫХ ПОРОД
1.1.1.Схема сдвижения горных пород
Для выявления закономерностей сдвижения земной поверхно сти и разработки способов расчета параметров необходимо иметь представление о характере сдвижения толщи горных пород.
Земная поверхность является частью сдвигающейся толщи гор ных пород и сдвижение ее отражает те процессы, которые проис ходят в толще. Эти два процесса (сдвижение толщи пород и сдви жение поверхности) взаимно увязаны и должны рассматриваться во взаимосвязи.
С раскрытием закономерностей сдвижения толщи пород связа-' но не только сдвижение земной поверхности, но и многие другие вопросы горного дела: управление кровлей, охрана выработок, борьба с внезапными выбросами угля, газа и др. Для решения этих задач достаточно знать закономерности сдвижения слоев горных пород, залегающих вблизи отрабатываемого угольного пласта. Для изучения же сдвижений земной поверхности необхо димо знать сдвижение всей толщи пород от пласта до поверхно сти земли.
Сдвижение всей толщи изучено значительно хуже, чем сдвиже ние слоев горных пород вблизи разрабатываемого пласта.
На основании комплекса наблюдений в натурных условиях и на моделях может быть составлено представление о характере сдвижения горных пород толщи. Это представление удобно обоб щить в виде схемы сдвижения горных пород при первичной и пов торной подработках толщи.
При подземной разработке пластов угля возникает сдвижение вышележащей (подработанной) толщи горных пород, которое про исходит в форме последовательного прогиба слоев пород в сто рону выработанного пространства.
В сдвигающейся толще выделяются определенные зоны, отли чающиеся различным характером сдвижения и напряженного со
стояния пород.
В первый период развития очистной выемки, когда забой лавы отошел от массива (разрезной печи) на незначительное расстоя ние, непосредственная кровля пласта практически находится в устойчивом состоянии, сдвижение ее в форме прогиба происходит
б
медленно и измеряется малыми величинами. По мере увеличения отхода лавы от разрезной печи скорость и величина прогиба кровли пласта увеличиваются, в сдвижение вовлекаются вышеле жащие слои пород, а затем и земная поверхность. По данным на блюдений, сдвижение пород при глубинах горных работ до 500 м распространится до земной поверхности, когда забой лавы отойдет
от разрезной печи на расстояние |
|
|
||||||
примерно 0,2 Я 4-0,ЗЯ (Я — глу |
|
|
||||||
бина разработки). При дальней |
|
|
||||||
шем отходе забоя лавы от разрез |
|
|
||||||
ной печи прогиб слоев пород и |
|
|
||||||
земной поверхности увеличивает |
|
|
||||||
ся и достигает максимума, когда |
|
|
||||||
забой лавы отойдет от разрезной |
|
|
||||||
печи на расстояние 1,4 Я. |
уве |
|
|
|||||
С увеличением |
прогиба |
|
|
|||||
личивается деформация |
слоев и |
|
|
|||||
нарушается |
их |
сплошность. |
|
|
||||
В слоях, |
расположенных |
близко |
|
|
||||
к угольному |
пласту, образуются |
|
|
|||||
трещины и разломы. |
происхо |
|
|
|||||
Если |
выемка |
пласта |
|
|
||||
дит без закладки и слои |
кровли |
|
|
|||||
при прогибе не достигают почвы |
|
|
||||||
пласта, |
то |
происходит их |
обру |
|
|
|||
шение. Процесс сдвижения и рас |
|
|
||||||
слоения |
толщи |
|
будет |
продол |
|
|
||
жаться до тех пор, пока не будет |
Рис. 1.1. Схема сдвижения |
горных |
||||||
восстановлено |
равновесие |
всех |
пород |
|
||||
слоев подработанной толщи. |
|
(в на |
||||||
По окончании сдвижения в толще образуются три зоны |
||||||||
правлении снизу вверх): |
|
|
|
|
1)беспорядочного обрушения;
2)прогиба пород с образованием трещин разрыва;
3)прогиба пород без разрыва сплошности.
Высота зоны беспорядочного обрушения |
составляет (34-6) т |
|
(т — мощность пласта). |
от |
состава пород |
Высота второй зоны существенно зависит |
||
толщи и колеблется в Донбассе от (20-ь30) т |
до |
(70-f-80) т . |
По характеру сдвижения слоев горных пород в толще в направ лении вкрест простирания могут быть выделены следующие зо
ны (рис. 1.1) :
I — область полных сдвижений;
Па и Пб — зоны наибольшего изгиба пород; II1а и Ш б — зоны сжатия пород.
Область полных сдвижений СОД характеризуется тем, что век торы сдвижения точек в пределах этой области выше зоны обру шения параллельны между собой и направлены по нормали к на пластованию, а слои горных пород после окончания сдвижения за-
нимают положение, параллельное их первоначальному положению. Зоны сжатия пород возникают в результате появления опорно го давления у границ очистных выработок. Как указывают многие
исследователи, именно опорное давление является основной при чиной сжатия пород по вертикали, а следовательно, и основной причиной оседания слоев горных пород и земной поверхности за границами очистных работ [43, 44].
Таким образом, одновременно со сдвижением толщи происхо дит перераспределение напряженного состояния пород с возник новением зон опорного давления и зон разгрузки. Наличие таких зон подтверждают натурные наблюдения в толще и наблюдения на моделях.
Основываясь на этих наблюдениях, в качестве границ сдвиже ния толщи можно принять прямые линии, проходящие через гра ницы мульд сдвижения на земной поверхности и направленные по нормали к напластованию у нижнего края очистных работ и по вертикали у верхнего края и края очистных работ по простира
нию.
Границы мульды сдвижения на земной поверхности определя ются по граничным углам Ро, Vo и бо, величины которых опреде ляются по формулам*:
00= 8 0 °—рЯ0/Я; Ро= 80°—0,8а—рЯо/Я;
Yo= 80°—рЯо/Я, |
|
где Я — вертикальная глубина горных работ по |
поверхности до |
соответствующей границы очистных работ; Я 0= 1 8 |
м — минималь |
ная глубина горных работ, до которой могут быть применены эти формулы; р = 5 7 ° — радиан; а — угол падения пласта, градус.
Исходя из принятого определения границ сдвижения толщи, размеры зон опорного давления могут быть определены из вы
ражений: |
|
LK= H cos(p0+ a )/sin |
р0; |
L в = Я ctg Yo/cos а; |
|
La= H ctg 8 o , |
|
где LH, L B и Ln— соответственно размеры |
зон опорного давления |
у нижнего края, верхнего края и края очистных работ по прости
ранию.
Зоны наибольшего изгиба пород (На и Нб) находятся между зонами опорного давления и областью полного сдвижения. Слои горных пород в этих зонах подвергаются наибольшим деформа циям.
В качестве границ, разделяющих зоны опорного давления от зон наибольшего изгиба пород, могут быть приняты линии в тол-
* В утвержденных Минуглепромом СССР Правилах [31] граничные углы для шахт Донбасса определяются по иным формулам.
ще, соединяющие точки перегиба кривых оседания слоев пород и земной поверхности. Точки перегиба кривых оседаний характер ны тем, что именно в них происходит качественное изменение ха
рактера оседания пород.
Очистная выемка вызывает сдвижение и изменение напряжен ного состояния пород как в вышележащей (подработанной), так и в нижележащей (надработаниой) толще. В нижележащей толще в зонах опорного давления изменение напряженного состояния горных пород можно объяснить действием опорного давления как штампа с неравномерно распределенной нагрузкой. В' вышележа щей толще изменение напряжений можно объяснить воздействием сил реакции опорного давления, действующих так же, как штамп, но в направлении, обратном прямому воздействию опорного дав ления на нижележащую толщу. Такое представление о природе возникновения напряжений в породах, расположенных в зонах влияния опорного давления, позволяет применить для расчета на пряжений в любой точке массива теорию распределения напряже ний, применяемую в механике грунтов и основанную на матема тической теории упругости [42, 45].
В работах [15, 44] зона опорного давления делится на две части : зону п р е д е л ь н о г о с о с т о я н и я от очистного забоя до максимума опорного давления и у п р у г у ю з о н у от максиму ма опорного давления до границы зоны опорного давления в мас сиве (целике). Причем упругая зона занимает большую часть всей зоны Опорного давления. Эпюра нагрузки в упругой части зоны опорного давления близка к треугольной. В действительно сти эпюра нагрузки сложнее треугольной, но для целей расчета сдвижения толщи горных пород и земной поверхности такое упро щение допустимо.
Рассмотрим влияние опорного давления, выраженного прибли женно треугольной эпюрой, на любую точку М в подработанном или надработанном массивах (рис. 1.2).
Максимальная величина опорного давления
Р = (К - 1 )у Н ,
где К — коэффициент концентрации опорного давления (по дан ным многих исследований, /C=l,5-f-3,0).
Будем определять только вертикальные сжимающие напряже ния. Длина зоны опорного давления в плоскости пласта составит Ц = Н ctgôo. Опорное давление на бесконечно малом элементе dy
равно d p = P ydy.
Из треугольника нагрузки имеем
Ру—Py/Lo.
Координата у получается из выражения у = х ( tgp —tgp2). Поэтому Ру= (Px/Lo) (tgp—tgp2).
В свою очередь, dy может быть определено из выражения
dy—rd p/cos р.
Тогда будем иметь
d p = P x (tg р—tg р2) rd р/ (L0 cos p).
dp можно рассматривать как действие сосредоточенной силы. Распределение напряжений в линейно деформируемом массиве
при действии сосредоточенной силы на единицу длины выражает ся [45] формулой
О л=2Р cos3p/(nr).
Подставив в этой формуле вместо Р значение величины dP, получим выражение для определения составляющей напряжения, параллельной оси л', для точки М :
-------J (tg Р - tg %) cos1’ Щ . Ра
Имея в виду, что tgp2 для рассматриваемой точки есть величи на постоянная, получим:
(К — \)-(Нх Г . Q . , 0 |
|
«л. = — - — |
I sin- Р, — sinр2 — |
— tgp2^Pi Н— |
sin2 Р, — ?2 —-j"S in 2 p,J . |
Пользуясь этой формулой, рассчитывают напряжение в любой точке подработанного массива в зоне влияния опорного давления.
Расчет можно произвести также с помощью специальных таб лиц.
На рис. 1.3, а показаны изолинии напряжений в долях от максимальной нагрузки Р = ( К — 1 )уН, а на рис. 1.3,6 — изменение сжимающих напряжений по вертикальной линии, проведенной че рез точки с максимальным напряжением. Как видно из рисунка, вертикальные сжимающие напряжения распределяются неравно мерно как по вертикальным, так и по горизонтальным сечениям. При этом на расстоянии по вертикали, равном длине зоны опор ного давления Lo, происходит наиболее резкое изменение напря жений (величина его уменьшается в 2,5 раза), при дальнейшем удалении от пласта величина напряжения асимптотически прибли жается к нулю.
Приведенное описание механизма образования напряжений в толще пород в зонах опорного давления не претендует на полноту решения проблемы, но по-иовому объясняет явление. Причем по лученные результаты соответствуют натурным наблюдениям и на блюдениям на моделях.
Распределение напряжений и деформаций горных пород в уп ругой части зоны опорного давления имеет важное значение при решении вопроса охраны вертикальных выработок (стволов, сква жин и др.)-