книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках

значительной мере зависят устойчивость обнажений, характер сдвижений и величина зоны обрушения пород.

В Кузбассе песчаники расслаиваются при сдвижении над вы­ работанным пространством на слои толщиной 0,4—1,5 м, алевро­ литы и аргиллиты — на слои толщиной 0,01—1,0 м и в большин­ стве случаев на слои толщиной не более 0,3—0,4 м, т. е. по устой­ чивости в обнажениях алевролиты и, особенно, аргиллиты — бо­ лее слабые породы, чем песчаники.

Кроме того, известно, что в Кузбассе в непосредственной кров­ ле и почве угольных пластов в большинстве случаев (90 %) зале­ гают сравнительно слабые рассланцованные глинистые породы — алевролиты п аргиллиты. Непосредственная кровля в этом случае весьма неустойчива, особенно при наличии тонкослоистых аргил­ литов, в которых экзогенная и эндогенная трещиноватость разви­ та настолько, что отдельные слои представляют совершенно неус­ тойчивую среду.

Анализ маркшейдерской документации провалов на шахтах Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса показал, что образо­ вание провалов и ме.сто их выхода на земную поверхность приуро­ чены к следующим случаям:

1.Провалы образовывались по слабым слоям в толще пород кровли, попадающей в пределы высоты зоны обрушения. Место выхода провала на поверхность совпадало с выходом слабых сло­ ев под наносы.

2.Если толща пород кровли состояла из монолитных крепких пород, то провалы выходили на поверхность или по пласту угля, как более слабому слою, или по почве пласта, если в почве зале­ гали слабые породы и угол падения пласта составлял более 83° Рассмотрение данных, полученных на шахтах ПрокопьевскоКиселевского района, позволяет судить о распространении обру­ шений по смещениям провалов в сторону висячего бока пласта. При устойчивых породах кровли и наличии в непосредственной

кровле слабых прослоев мощностью менее 1 м смещения провалов в кровлю пласта не наблюдалось. При .слабоустойчивых породах кровли и наличии в непосредственной кровле прослоев слабых по­ род мощностью более 1 м провалы смещались значительно.

Кроме того, известны случаи, когда провалы при отработке од­ ного пласта выходили на поверхность над другим пластом, отра­ ботанным ранее, что объясняется достижением зоны обрушения вышележащего пласта. Таким образом, при наличии в толще по­ род, попадающих в пределы высоты зоны обрушения, слабого слоя провалы земной поверхности следует ожидать в первую очередь по слабому слою.

Проверка высказанных соображений проводилась на объемных моделях, в которых породная толща в кровле пласта состояла из слоев мощностью 2 м. В этой толще на различном расстоянии от угольного пласта располагались пять слоев мощностью по 1 м, прочностные характеристики материала которых (оСж, Ор) в 2 раза меньше прочностных характеристик остальной толщи.

Впроцессе подвигания забоя по восстанию было выяснено, что

вмомент образования провала обрушения опережали забой в пер­ вую очередь по слабым слоям кровли (независимо от их располо­

жения относительно угольного пласта), если эти слои попадали в пределы высоты зоны обрушения. Провальная воронка на по­ верхности модели появлялась сначала над выходом слабых сло­ ев, затем обрушалнсь более прочные слои толщи.

h'/Zh*

Рис. 5.1. Зависимость относительных размеров целика, при котором обра­

зуется провал, от относительных раз­ меров выработки по простиранию

Для случаев образования провалов в почве пласта следует рас­ сматривать такие условия, когда происходит потеря слоями почвы продольной устойчивости под действием составляющей веса пород по напластованию.

Предельный пролет может быть определен по формуле Эйлера

где Е — модуль упругости на сжатие; h — мощность слоя; р, — ко­ эффициент длины, зависящий от заделки (при отсутствии влияния заделки p = 0,7-f-0,8); у — плотность породы.

На объемных моделях из эквивалентных материалов изучалось влияние размеров выработки по простиранию (а) при a/U = 1,25-т- 4-4,0 на образование провалов при отработке по восстанию кру­ того пласта (60°).

Проведенные исследования позволили установить, что при а/lŒ>24-3 отношение размера целика угля по восстанию пласта h', при котором образовался провал, к высоте зоны обрушения по­ род кровли устанавливается постоянным при прочих равных усло­ виях (рис. 5.1). При этом высота зоны обрушения при a/U >2-~S не увеличивалась. Результаты отработки объемных моделей с раз­ личной мощностью пласта (т , Зт, 6т) показали, что с увеличе­ нием мощности пласта увеличивается размер целика h\ при кото­ ром образуется провал, что объясняется зависимостью высоты зо­ ны обрушения от мощности пласта.

Из табл. 5.2 видно, что отношение размера целика h' к высоте зоны обрушения 2йы является величиной постоянной и не зависит от мощности пласта.

Следует отметить, что для природных условий будет справед­ ливо отношение h' / + = 1,72 (где 2/iH+ nz= 2ftM), так как в моделях угольный пласт не участвовал в образовании провала.

Кроме того, из данных моделирования следует, что от шага об­ рушения кровли зависит высота зоны обрушения, а от нее, в свою

ции У=4 %.

очередь, зависит размер целика, при котором образуется провал; отношение h'/2,hMне зависит от шага обрушения слоев кровли.

Таким образом, определяющими условия образования провалов величинами являются высота зоны обрушения пород и размер угольного целика и пород, попадающих в пределы высоты зоны об­ рушения. Поэтому для расчета размеров угольных целиков, пред­ охраняющих от провалов земную поверхность, необходимо знать характер п величину деформаций пород кровли над выработан­ ным пространством при отработке крутых пластов различной мощ­ ности с направлением подвигания забоя по восстанию.

5.4.3. Влияние характера и степени деформации горных пород на образование провалов

Если при выемке угольных пластов крутого падения малой и средней мощности с подвиганием забоя по падению и простира­ нию пласта характер поведения кровли и обрушенных пород изу­ чен достаточно, то при выемке таких пластов с подвиганием забоя по восстанию характер поведения пород мало изучен. Поэтому для прогнозирования условий появления провалов необходимо было провести такие исследования.

При выемке угольных пластов с подвиганием забоя по прости­ ранию скатывания обрушенных пород в нижнюю часть выработки

не происходит, если отношение мощности обрушенного слоя к мощности пласта h/in>0,44-0,5. В этом случае высота зоны обру­ шения одинакова вдоль всего очистного забоя.

Мощность слоев кровли на угольных месторождениях в боль­ шинстве случаев составляет 0,3—0,5 м, поэтому при выемке плас­ тов мощностью 0,7—1,2 м обрушение кровли не должно сопро­ вождаться скатыванием пород по падению.

При отработке пластов мощностью более 1,2—1,5 м в большин­ стве случаевследует ожидать интенсивную подбутовку нижней части забоя обрушенными породами. В верхней части забоя вы­ сота зоны обрушения возрастает в связи с увеличением свобод­ ного пространства и по расчетам К. А. Ардашева в 1,5 раза боль­ ше, чем при отсутствии скатывания обрушенных пород.

При выемке угольного пласта с подвиганием забоя по падению зона обрушения развивается в основном в верхней части выра­ ботки, где достигает своего максимума.

Как отмечалось ранее, от скатывания пород и развития зоны обрушения главным образом зависит возможность образования провалов, поэтому при анализе характера поведения пород учи­ тывались эти факторы.

Изучение характера деформации толщи пород над выработан­ ным пространством при выемке пластов средней мощности с подвиганнем забоя по восстанию производилось на объемных моделях из эквивалентных материалов.

Сдвижения в толще пород регистрировались с помощью глу­ бинных реперов. Мощность пласта составляла 2,7 м, угол падения пласта — 60°, размеры выработки по простиранию — 60—80 м.

Наблюдения за сдвижением глубинных реперов показали, что слои непосредственной кровли обрушались. Вышележащие слои перемещались более плавно, но большая величина смещения ре­ перов указывала на деформацию слоев с разрывом сплошности.

В основном толща пород деформировалась над выработанным пространством. В последний момент отработки модели, когда за­ бой приблизился к ее поверхности, зарегистрировано сползание слоев кровли впереди забоя.

При размерах выработки по простиранию 80 м, что соответст­ вует четырехкратному значению шага обрушения кровли, сполза­ ние слоев кровли наблюдалось при размере целика угля по восста­ нию 22 м. На поверхности модели образовалась воронка оседания (рис. 5.2), захватившая слои с 9 по 20. Угол 0 между горизонталь­ ной линией и линией, соединяющей середину выработанного про­ странства с точкой максимального оседания поверхности модели, равен 90° При размере выработки по простиранию 60 м (модель № 15) сползание слоев наблюдалось, когда целик по восстанию пласта составлял 12 м, а угол 0= 96°

По результатам послойной разработки моделей с учетом дан­ ных сдвижения реперов установлено, что деформация толщи по­ род распространялась по нормали к напластованию. По степени деформации пород можно выделить зону обрушения и зону упоря-

доменного движения пород, переходящую в зону плавного прогиба без разрыва сплошности.

В зоне обрушения можно выделить нижнюю часть, характери­ зующуюся беспорядочным обрушением и частичным перепуском пород по падению в выработанное пространство (1,5—2-кратная мощность пласта), и верхнюю часть, характеризующуюся упоря­ доченным обрушением слоев.

Особенностью деформации толщи пород при отработке кру­ тых пластов малой и средней мощности, помимо частичного пе­ репуска пород, является развитие деформации слоев, кровли по нор­ мали к напластованию, незамет­ ный переход зоны обрушения в зону упорядоченного движения пород, а также сползание слоев при определенном расстоянии вы­ работанного пространства от зем­ ной поверхности.

Проверка результатов, полу­ ченных в процессе моделирова­ ния, проведена на участке под­ земной газификации углей (мощ­ ность пласта 2,2 м, угол падения 55—64°) путем бурения верти­ кальных скважин на выгазованное пространство для уточнения контура выгазовываиия угольно­ го пласта и установления степени деформации пород кровли над выгазоваиным пространством.

Контрольные скважины позволили установить размеры выгазованного пространства по простиранию (65—70 м) и размеры угольных целиков по восстанию от верхней границы выгазовыва­ иия (16—18 м), а также степень деформации пород кровли.

Анализ показал, что зона сильно нарушенных пород (полная потеря промывки при бурении), которую следует отнести к зоне обрушения, равна по нормали к напластованию 4,0—4,5-кратной выгазованной мощности пласта. В нижней части зоны в пределах 1—2-кратной мощности пласта встречаются пустоты, беспорядоч­ но перемешанные с углем или шлаком породы, что, очевидно, свя­ зано с неравномерным заполнением выработанного пространства шлаком и частичным перепуском обрушенных пород в нижнюю часть выработки.

Сравнение данных моделирования с результатами натурных наблюдений показывает, что ряд параметров, характеризующих процесс деформации пород над выработанным пространством, име­ ет один и тот же порядок (степень деформации толщи пород, зна­

чение угла 0, предельные размеры устойчивых целиков между вы­ работанным пространством и земной поверхностью, характер перемещения пород), что указывает'на достоверность данных, полу­ ченных при проведении опытов на объемных моделях из эквива­ лентных материалов.

На основании изложенного можно сделать вывод о том, что де­ формация, разрушение и смещение толщи пород над длинной очистной выработкой при разработке снизу вверх по восстанию крутых угольных пластов мощностью 2—3 м по сравнению с по­ логими пластами имеют различия. Основное различие заключает­ ся в характере деформации и перемещении пород в нижней части зоны обрушения и наличии сползания слоев кровли (наряду с их нормальным прогибом) при приближении забоя к земной поверх­ ности. В нижней части зоны обрушения (по нормали к напласто­ ванию) происходит скатывание обрушенных пород в нижнюю часть выработанного пространства, что, в свою очередь, ведет к подбучиванию кровли.

Однако скатывания обрушенных пород при выемке таких пла­ стов по простиранию не бывает даже при углах падения 60°. Это объясняется различием в кинематике движения блоков после ис­ чезновения сил распора по напластованию.

Для выяснения влияния мощности слоев кровли и пласта на характер обрушения проводились эксперименты на плоских моде­ лях из эквивалентных материалов применительно к условиям вы­ емки по восстанию при различном соотношении толщины слоя кровли h и мощности пласта т .

При h fm ^ 0,5 происходило беспорядочное обрушение слоев с дальнейшим интенсивным перепуском по падению и подбутовкой кровли, как бывает при отработке мощных крутых пластов.

При Л /т=0,75 обрушенные слои не раздроблялись на мелкие куски, а укладывались в систему, близкую к первоначальному по­ ложению. При этом скатывания обрушенных пород по падению не происходило. Фактически потеря устойчивости наблюдалась в пер­ вых двух-трех слоях, остальные слои поворачивались подобно шарнирной системе.

Такой же результат был получен в эксперименте на объемных моделях.

Отношение h/m для непосредственной кровли в объемных мо­ делях равнялось 0,37, поэтому происходило ее беспорядочное об­ рушение и частичный перепуск в нижнюю часть выработки.

При достижении размеров выработки по восстанию более шага обрушения основной кровли, для которой h/m=0,74, слои основной кровли теряли устойчивость, обрушивались в выработанное про­ странство, но обрушение их было упорядоченным, так как отноше­ ние толщины вышележащего слоя к высоте свободного простран­ ства между основной кровлей и обрушенной непосредственной кровлей было больше 0,5. В результате такого развития деформа­ ций наблюдалось разделение зоны обрушения на две части по нор­ мали к напластованию.

При бурении скважин на выгазованное пространство было уста­ новлено, что непосредственная кровля состоит из тонкослоистых алевролитов, для которых h/m <0,5, а в основной кровле залегают более монолитные песчаники и алевролиты, поэтому характер де­ формации и сдвижения боковых пород совпадал с таким же про­ цессом на объемных моделях. Следует отметить, что для угольных месторождений характерным является то, что в непосредственной кровле и почве угольных пластов в большинстве случаев (в Дон­ бассе до 85%, в Кузбассе до 90%) залегают сравнительно сла­ бые расс.ланцоваиные глинистые породы. Поэтому приведенные материалы не являются частным случаем, а в какой-то мере отра­ жают общий характер деформации боковых пород при отработке с подвиганием забоя по восстанию крутых угольных пластов ма­ лой и средней мощности.

Для выяснения общего характера развития зоны обрушения в породах кровли при отработке мощного крутого пласта были ис­ пользованы данные, полученные при подземной газификации углей па опытном участке, при исследованиях на объемных моделях из эквивалентных материалов, а также при наблюдении в очистных выработках шахт.

Рассмотрим, как происходило сдвижение и обрушение кровли при выгазовывании по восстанию мощного крутого пласта на опыт­ ном участке.

Нижняя граница розжига пласта находилась на глубине 53 м, угол падения пласта в среднем составил 68°, выгазовывание ве­ лось по восстанию через отдельные скважины, так что фактиче­ ски вместо сплошного забоя было несколько коротких забоев, от­ деленных друг от друга целиками. По материалам вскрытия газо­ генератора выгазованная мощность угольного пласта составляла 5—8 м.

На рассматриваемом участке в непосредственной кровле пла­ ста залегали очень слабые трещиноватые алевролиты мощностью 4—б м и трещиноватый песчаник большей прочности (аСж=26-Ь-

-7-31 МПа, сгцзг=4-г-5 МПа).

Анализ сдвижения глубинных реперов, расположенных в рай­ оне выгазовывания, позволил выявить следующую картину разви­ тия обрушений в кровле газифицируемого пласта. При выгазовы­ вании около 740 т угля (ориентировочная площадь обнажения кровли 5=100 м2) произошло первое обрушение кровли, величина

шения увеличилась до 5—6 м, при этом обрушения слабой непо­ средственной кровли опережали забой и происходило сползание кровли над целиком угля в сторону выработанного пространства. В дальнейшем при относительно незначительном увеличении ко­ личества выгазованного угля (с 836 до 948 т) зона обрушения уве­ личилась до 6—6,5 м по нормали к пласту (5 = 132 м2), и в этот период наблюдалось активное развитие обрушений по слою сла­ бого алевролита в непосредственной кровле пласта.

При дальнейшем выгазовывании пласта слой авлевролита обрушался и сползал без увеличения размеров зоны обрушения по нормали к пласту.

Так как точные размеры выработки по восстанию угольного пласта при определении оседаний глубинных реперов неизвестны, то контролем за изменением размеров выработанного простран­ ства служило количество выгазованного угля.

Поскольку количество выгазованного угля представляет собой какой-то объем выработки, очевидно, величина зоны обрушения зависит от изменения размеров выработки, а плотность угля и его выгазованную мощность можно принять постоянными. В то же вре­ мя размеры выработки превышали шаг обрушения кровли по па­ дению и простиранию пласта.

Следовательно, при достижении определенных размеров выра­ ботанного пространства зона обрушения пород кровли по нормали к пласту становится максимальной и при дальнейшем увеличении размеров выработки по восстанию остается почти постоянной.

По данным смещения глубинных реперов построены изолинии оседаний кровли при различной величине опускания щита по ме­ ре отработки столба.

Расположение изолиний оседания кровли показывает, что при опускании щита до 35 м зона обрушения распространяется по нор­ мали к пласту. Начиная с 35 м, высота зоны обрушения по нор­ мали к пласту при увеличении размера выработки по падению ос­ тается почти постоянной для данной ширины выработки.

Таким образом, развитие обрушений при газификации мощно­ го пласта по восстанию имеет тот же характер, что и при отработ­ ке щитом на шахте «Коксовая-2», а именно: сначала зона обруше­ ния увеличивается по нормали к пласту, а после достижения оп­ ределенных размеров выработанного пространства становится по­ стоянной.

Результаты объемного моделирования условий отработки пла­ ста IV Внутреннего подтвердили полученную закономерность.

Как показали опыты на объемных моделях, уже при достиже­ нии размеров выработки по простиранию около 60—80 м (при размерах выработки по восстанию больше 2—3 шагов обрушения кровли) зона обрушения достигла своего максимального значе­ ния.

На основе анализа поведения кровли при отработке мощного крутого пласта можно определить граничные условия распростра­ нения зоны обрушения при различных размерах выработанного пространства и устойчивости пород кровли.

При выемке мощных крутых пластов высота зоны обрушения кровли не определяется условием полного самоподбучивания об­ рушенной породой' вышележащей толщи слоев. Как показывают наблюдения на участке газификации, а также на шахтах, в верх­ ней части выработанного пространства образуются пустоты, тог­ да как нижняя часть заполнена обрушенными породами, которые подбучивают кровлю.

глубинным реперам в среднем 1,2, пролет обрушения кровли око-

L

ло 6 м. Тогда по формуле (5.21) 2/i,=28 м.

Однако мы не располагаем данными об изменении высоты зоны обрушения при различных углах падения пород. Поэтому представляет определенный интерес выяснить влияние угла паде­ ния на величину зоны обрушения пород кровли.

При анализе данных буровых скважин установлено, что отно­ шение величины зоны обрушения к вынимаемой мощности пласта зависит от угла падения й глубины разработки, если остальные факторы примерно одинаковы. Доказательство этого положения основано на анализе данных 13 скважин, пробуренных на выра­ ботанное пространство, где примерно одинаковые условия залега­ ния и отработки угольного пласта. При этом, учитывая влияние перепуска пород и подбучиваиня кровли на величину зоны обру­ шения, зависимость отношения высоты зоны обрушения к выни­ маемой мощности пласта от угла падения рассматривалась, начи­ ная с углов 30° и более, т. е. когда уже возможен перепуск обру­ шенных пород. Анализ данных [ 12] показывает, что зона обруше­ ния определялась в средней части выработанного пространства по простиранию, и на различном расстоянии по восстанию от нижних целиков. Размер выработки по простиранию не влияет на величи­ ну зоны обрушения, так как бурение скважин производилось на отработанных участках и размеры выработок в этом направлении были примерно одинаковы. Влияние размера выработанного про­ странства от нижнего целика до места определения зоны обруше­

ния учитывалось путем введения поправки \П 0, где L — расстоя­ ние от нижнего целика до ме'ста входа скважины в пласт.

Глубина разработок берется с учетом подэтажа, в котором на­ ходилась пробуренная скважина.

Методом математической статистики [55] найдена корреляция h/(m -\fL) от а, Я, выражаемая уравнением плоскости:

x=a+by-\-cz

или

h/( т I7 L) =а-\-Ьа-\-сН,

где а, Ь, с — коэффициенты.

Вычисления дали следующие значения коэффициентов: а =

=0,103; Ь= —0,002 и с= 0,003.

Вокончательном виде:

Вычисленный коэффициент множественной корреляции Rx, y, z = = 0,93 показывает, что связь х с у, z существует очень тесная.

Средняя квадратическая погрешность определения коэффициен­ та корреляции сг«= ±0,038, тогда Rx, у, z = 0,93±3-0,038.

Зависимость (5.22) будет верна для определения величины зо­ ны обрушения при системах разработки с обрушением кровли,