1.2. Механизм деформирования

подработанного массива горных пород

Приближенно зону толщи горных пород, затронутую процессом сдвижения от очистной выемки на разрезе по падению пласта, можно определить с помощью углов ₀, ₀, а на разрезе по простиранию – с помощью углов ₀.

Со стороны восстания и падения пласта к рассмотренным ранее примыкает зона опорного давления V. Она создается в толще горных пород вследствие консольного зависания при прогибе и передаче части веса зависших пород в качестве дополнительной нагрузки на массив пород и пласт. Наибольшие нагрузки образуются у верхней и нижней границ очистной выработки, что приводит к отжиму пласта (эпюра 2 на рис.2).

Перемещение напластований горных пород кровли пласта начинается с прогиба, расслоений и образования полостей отслоения, появления зон повышенных деформаций – растяжений сжатий (эпюра 3 на рис.2). Когда деформации достигают предельных значений, слои кровли обрушаются, заполняя выработанное пространство. Они становятся опорой для вышележащих прогибающихся пород зоны II. Если деформации не достигают предельных значений, зона I не возникает, а будет развиваться зона II, т.е. прогиб с образованием трещин. При значительных размерах очистных выработок прогибающиеся породы в зонах II и III занимают после уплотнения положение, примерно параллельное первоначальному, образуя зону полных сдвижений, размер которой на разрезе по падению пласта (вкрест простирания пласта) можно определить с помощью углов _ и _, а на разрезе по простиранию – угла _.

По мере удаления от выработанного пространства вверх по нормали сдвижение пород приобретает более плавный характер, деформации растяжений-сжатий становятся малыми по значению, трещиноватость исчезает, сменяясь прогибом пород без разрыва сплошности и образования отслоений.

2. Основные понятия и параметры, характеризующие процесс сдвижения

Под влиянием подземных горных разработок на земной поверхности образуются мульды сдвижения, форма и параметры образования которых зависят от следующих горно-геологических условий:

 вынимаемая мощность и угол падения пласта;

 глубина горных работ;

 физико-механические свойства горных пород и строение массива;

 количество подработок горного массива;

 мощность наносов;

 наличие дизъюнктивных нарушений.

Форма мульды и размер сдвижений и деформаций в самой мульде, в частности оседание , в значительной степени зависят от размеров выработанного пространства. Чем больше площадь выемки, тем больше эти значения. Однако рост сдвижений и деформаций земной поверхности при увеличении площади выработанного пространства происходит только до определенного момента. Затем, несмотря на увеличение выработанного пространства, роста сдвижения и деформаций не происходит. Эта стадия называется полной подработкой земной поверхности. Она возникает при таких размерах выработанного пространства, когда в мульде сдвижения максимальное оседание не увеличивается при дальнейшем росте длины (ширины) выработанного пространства – в мульде образуется плоское дно.

Коэффициентом подработанности земной поверхности называется отношение фактического размера выработанного пространства D к минимальному его размеру D₀, при котором происходит полная подработка земной поверхности.

Различают коэффициенты подработанности земной поверхности на разрезе вкрест простирания

(2.1)

и по простиранию

, (2.2)

где D₁ и D₂ – фактические размеры выработанного пространства на разрезах по простиранию и вкрест простирания пластов; ₃ – угол полных сдвижений на разрезе по простиранию.

Минимальный размер, при котором происходит полная подработка D₀, определяется следующим образом (рис.4):

,

отсюда

; .

В случае полной подработки n₁ (n₂)  1 (рис.5), при неполной n₁ (n₂) < 1 (рис.6).

В мульде сдвижения различают зоны (рис.7):

 обрушения – часть мульды, где на земной поверхности происходит образование воронок, провалов, трещин и террас (за границу этой зоны условно принимают контур, ограниченный трещинами шириной не менее 25 см);

 трещин – где происходит разрыв сплошности земной поверхности и образуются трещины (за ее внешнюю границу принимают контур крайних хорошо различимых трещин);

 плавных сдвижений – где земная поверхность подверглась сдвижению без разрыва сплошности;

 «опасных» сдвижений – где возникают деформации, опасные для зданий и сооружений.

Наиболее важными сечениями мульды сдвижения являются главные сечения – вертикальные сечения по простиранию и вкрест простирания пластов, проходящие через точки с максимальным оседанием земной поверхности. Положение мульды сдвижения относительно выработанного пространства определяется с помощью граничных углов, углов сдвижения, угла максимального оседания и углов полных сдвижений (рис.8-10), которые строятся в главных сечениях мульды сдвижения, причем выработки имеют размеры D₁ и D₂ соответственно вкрест и по простиранию, а длина полумульд L₁, L₂ и L₃ соответственно со стороны падения, восстания и простирания ( см. рис.8-10).

Рассмотрим угловые параметры процесса сдвижения.

Граничные углы ₀, ₀₁, ₀, ₀ (рис.8-10) в коренных породах – это внешние относительно выработанного пространства углы на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения, образованные горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы выработанного пространства с граничными точками мульды сдвижения. Граничными точками мульды сдвижения считаются точки, за пределами которых со стороны неотработанной части пласта растяжения  и наклоны i не превышают 0,510^-3, а оседания  = 1520 мм.

Углы ₀, …, ₀ ограничивают зону сдвижения так:

₀ – у нижней границы выработанного пространства;

₀₁ – у нижней границы, но в породах почвы пласта при крутом падении пласта и пород (рис.10);

₀ – у верхней границы выработанного пространства;

₀ – у границ выработки на разрезе по простиранию пласта.

На разрезе вкрест простирания границу опасной зоны сдвижения определяют с помощью углов сдвижения , ₁ и , а на разрезе по простиранию – с помощью угла .

Углы сдвижения , ₁,  и  (рис.8-10) – внешние относительно выработанного пространства углы, образованные горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы выработки с точками мульды сдвижения, за пределами которых (в сторону неотработанных частей пласта) деформации не достигают значений, опасных для ответственных зданий. Опасными, или критическими, принято считать деформационные наклоны i = 410^-3; кривизну земной поверхности k = 0,210^-3 1/м; растяжения земной поверхности  = 210^-3.

Углы сдвижения откладывают следующим образом:

 – у нижней границы очистной выемки в породах кровли пласта;

₁ – у нижней границы очистной выработки в породах почвы пласта в условиях крутого падения, когда имеет место сдвижение лежачего бока (рис.10);

 – у верхней границы очистной выработки;

 – от границы выработки по простиранию пласта.

Углы ₀₁ и ₁ используют для обозначения сдвижения пород лежачего бока при крутом залегании пород и пласта, когда , где  – угол наклона пласта и пород; _п – предельное значение угла наклона, при котором возникает сползание пород почвы пласта в выработанное очистное пространство (рис.10). Значения _п (_п = 5670) зависят от строения и крепости пород (типа месторождения). Если  < _п – сдвижения пород лежачего бока не будет; если   _п – произойдет сдвижение пород лежачего бока, в этом случае вместо углов  и ₀ используют углы ₀₁ и ₁.

При незначительных глубинах горных работ, большой мощности вынимаемых пластов крутого залегания (или при разработке рудных месторождений) в мульде сдвижения образуются провалы, трещины. Границы этих нарушений определяются с помощью углов разрывов , ₁,  и . Углы разрывов, так же как и углы сдвижения, – внешние относительно выработанного пространства углы, образованные горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы очистной выработки на разрезах вкрест простирания (, ₁, ) и по простиранию () с последней трещиной на краях мульды сдвижения (рис.11).

Углы разрывов используют для определения зон опасного влияния водных объектов, а также для оценки опасного влияния горных выработок на отдельные объекты (трамвайные пути, шоссейные дороги, ЛЭП).

В наносах (третичных или четвертичных отложениях) различают граничные углы – ₀ (рис.12) и углы сдвижения  (рис.12). В наносах углы разрывов такие же, как и в коренных породах, т.е. не существует углов разрыва в наносах .

В мезозойских (меловых) отложениях (на месторождениях палеозойского возраста) различают граничные углы _0м, _0м, _0м и углы сдвижения _м, _м, _м (рис.12).

При разработке рудных месторождений на земной поверхности могут возникать зоны воронкообразования, террас, трещин; при разработке угольных месторождений в мульде может образоваться зона провалов, преимущественно над верхней границей выработки при глубине очистной выработки (20-30)m, где m – вынимаемая мощность.

Для определения границ зоны провалов и воронок используются углы воронкообразования v: углы в главных сечениях мульды сдвижения по простиранию и вкрест простирания пластов между горизонтальной линией и линией, соединяющей границу зоны воронок и провалов с границей очистной выработки. Значения углов воронкообразования (см. рис.11) приведены в нормативных документах, разработанных применительно к характерным рудным месторождениям.

Углом максимального оседания  (см. рис.9 и 10) называется острый угол на разрезе вкрест простирания (на разрезе по простиранию  = 90) пласта между горизонтальной линией и линией, соединяющей середину очистной выработки с точкой максимального оседания при неполной подработке земной поверхности (n_1,2 < 1).

Углы полных сдвижений ₁, ₂, ₃ (см. рис.8) – это внутренние относительно выработанного пространства углы, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения плоскостью пласта и линиями, соединяющими границы выработки с границами плоского дна мульды сдвижения. Углы используются при полной подработке земной поверхности (n_1,2  1). По углам ₁, ₂ определяют размер плоского дна мульды на разрезе вкрест простирания пласта при n₁  1, причем угол ₁ откладывается у нижней границы очистной выработки, угол ₂ – у верхней. Угол ₃ откладывается на разрезе по простиранию пласта при n₂  1.

Участок мульды сдвижения между точкой максимального оседания при неполной подработке земной поверхности или началом плоского дна мульды при полной подработке и границей мульды сдвижения по падению называется полумульдой по падению L₁ (рис.8-10).

Участок мульды сдвижения между точкой максимального оседания при неполной подработке земной поверхности или началом плоского дна мульды при полной подработке и границей мульды сдвижения по восстанию называется полумульдой по восстанию L₂ (рис.8-10).

Участок мульды сдвижения между точкой максимального оседания при неполной подработке земной поверхности или началом плоского дна мульды при полной подработке и границей мульды сдвижения по простиранию называется полумульдой по простиранию L₃ (рис.8-10).

Значения угловых параметров для различных угольных бассейнов приводятся в «Правилах охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях» [9], а также в «Правилах охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях» [8]. Последний нормативный документ в дальнейшем для краткости будем именовать Правилами.

3. Маркшейдерские наблюдения

за сдвижением толщи горных пород,

земной поверхности

и за подрабатываемыми объектами