Министерство образования Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В.Плеханова
(технический университет)
В.Н.Гусев, Е.М.Волохов
СДВИЖЕНИЕ И ДЕФОРМАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД
Допущено Учебно-методическим объединением вузов
Российской Федерации по образованию в области горного дела
в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по специальности
«Маркшейдерское дело» направления подготовки
дипломированных специалистов «Горное дело»
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2003
УДК 622.838:69.059.22 (075.80)
ББК 33.12
Г96
В учебном пособии рассмотрены геомеханические процессы, протекающие в массиве вокруг подготовительных и очистных выработок, и методы изучения механического состояния породного массива. Показаны основные формы сдвижения подработанной толщи. Подробно описаны параметры процесса сдвижения и способ предрасчета сдвижений и деформаций горных пород. Изложена методика определения допустимых и предельных показателей деформаций для широкого круга гражданских и промышленных объектов. Рассмотрен порядок решения вопросов применения горных и конструктивных мер охраны и методы построения целиков под гражданскими, промышленными и природными объектами. Значительное внимание уделено вопросам сдвижения и деформаций уступов, бортов карьеров и отвалов и методам расчета их устойчивости.
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 090100 «Маркшейдерское дело», а также может быть полезным для студентов специальностей 090200 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», 090400 «Шахтное и подземное строительство», 090500 «Открытые горные работы».
Научный редактор проф. В.Н.Гусев
Рецензенты: кафедра маркшейдерского дела Уральской государственной горно-геологической академии; канд. техн. наук С.Н.Зеленцов (ВНИМИ).
Гусев В.Н.
Г96. Сдвижение и деформации горных пород: Учеб. пособие / В.Н.Гусев, Е.М.Волохов. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). СПб, 2003. 83 с.
ISBN 5-94211-206-1.
УДК 622.838:69.059.22 (075.83)
ББК 33.12
ISBN 5-94211-206-1 |
Санкт-Петербургский горный институт им. Г.В.Плеханова, 2003 г.
|
Введение
Учебное пособие составлено на основе курсов лекций по сдвижению и деформациям горных пород, которые преподаватели кафедры маркшейдерского дела многие годы читали в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете). Содержание пособия соответствует образовательному стандарту курсов «Геомеханика», «Маркшейдерия» (8-й семестр) и «Маркшейдерское обеспечение безопасности горных работ».
При разработке месторождений полезных ископаемых под влиянием образующихся в горном массиве техногенных пустот, осушения пород происходит изменение напряженного состояния горных массивов, нарушение равновесия, перемещение или сдвижение и деформирование вмещающих полезное ископаемое пород.
Сдвижение и деформирование горных пород и земной поверхности вызывают деформацию расположенных на подрабатываемых территориях зданий, сооружений и природных объектов, оказывают на них неблагоприятное воздействие. Основной задачей изучения процессов сдвижения горных пород является разработка на базе прогнозных расчетов сдвижений и деформаций, инженерных методов охраны подрабатываемых зданий, сооружений, горных выработок, природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок.
1. Общие сведения о процессе сдвижения толщи горных пород и земной поверхности
До проведения горных выработок толща горных пород находится в условиях естественного напряженного состояния. Давление, приходящееся на единицу площади в нетронутом массиве, обычно приравнивается весу вышележащего столба
z , (1.1)
где z – вертикальная составляющая напряжения; – средневзвешенное значение удельного веса, Н/м3; Н – средняя глубина выработки, м.
Горизонтальные составляющие вертикального напряжения
x = y = z, (1.2)
где – коэффициент бокового распора.
После проведения горной выработки вес расположенного над ней столба породы частично передается на края невынутых частей пласта (опорных целиков), вследствие чего нагрузка около стенок выработки возрастает (кривая 1 на рис.1). Такое возрастание нагрузок может вызвать раздавливание краев целиков около стенок выработки и сдвижение горных пород или полезного ископаемого в сторону выработки. Снижение несущей способности пласта около стенок выработки вследствие раздавливания вызывает смещение максимумов нагрузки в точки А и В (в сторону массива), после чего распределение их изобразится кривыми 2 (рис.1). Таким образом, на участках (от края выработки до точки максимума) пласт будет испытывать разгрузку и давление будет меньше P. Левее точки максимума А и правее точки максимума В давление снижается до первоначального значения Р. Максимальное значение давления Рmax и его местоположение зависят от физико-механических свойств пород, глубины, размеров выработки и других факторов. Оно колеблется в больших пределах и может достигать (1,5-3,0)P.
Распределение горизонтальной составляющей напряжений характеризуется кривой х на рис.1: вблизи выработки – растягивающие напряжения, которые затем сменяются сжимающими, достигающими первоначальных значений, имевших место до проведения выработки. Если кровля обрушается, то сжимающие напряжения над выработкой не достигнут первоначального значения.
1.1. Сдвижение и деформирование
горных пород вокруг очистных выработок
Выделяют три стадии развития процесса сдвижения: начальную (обрушение или прогиб непосредственной кровли), промежуточную (прогиб всей вышележащей толщи пород) и конечную (сдвижение наносов и земной поверхности).
При достаточно больших глубинах разработок и размерах лав процесс сдвижения горных пород проявляется (рис.2) в формах обрушения, т.е. беспорядочного падения породы в виде кусков, глыб и блоков (зона I – зона обрушения), прогиба напластований толщи пород в сторону выработанного пространства с образованием трещин нормальносекущих и расслоения (зона II), плавного прогиба пород без отслоения (зона III), пучения и поднятия пород почвы в сторону выработанного пространства (зона IV).
Зона обрушения распространяется вверх по нормали на высоту
(1.3)
или
h = () m, (1.4)
где m – мощность пласта (вертикальная); Kp – коэффициент увеличения пород в объеме; – угол падения.
При малой вынимаемой мощности пласта, «пучащих» породах почвы, полной или частичной закладке выработанного пространства зона обрушения может отсутствовать.
Зоны I и II совместно распространяются вверх от кровли пласта на (-)m.
Водоемы, расположенные на земной поверхности, или «старые» затопленные выработки, попавшие в эти зоны, могут вызвать затопление действующих горных выработок.
При выемке крутых пластов, помимо указанных зон, может возникнуть сползание пород почвы в выработанное пространство (зона IV на рис.3) и образование на земной поверхности «ступенек», трещин, террас.
Сдвижение толщи горных пород в зонах I, II и III вызывает сдвижение наносов и образование мульды сдвижения (кривая 1 на рис.2 – впадина на земной поверхности).
При малой глубине разработки, равной примерно (-)-кратной мощности пласта, сдвижение наносов и коренных пород может происходить в форме обрушения; при значительных глубинах горных работ и пологом залегании пластов – в форме прогиба по вертикали; при залегании пород с углом наклона более – также в форме прогиба по вертикали в сочетании с горизонтальным сдвигом их коренными породами в сторону восстания пласта.
В результате на земной поверхности со стороны падения залежи происходит сложение горизонтальных составляющих сдвижения коренных пород и прогиба рыхлых отложений. Со стороны восстания, особенно для случая крутого падения пород, горизонтальные составляющие сдвижения от прогиба рыхлых отложений направлены в сторону, противоположную сдвижению коренных пород, поэтому суммарное сдвижение земной поверхности здесь получается меньше.