книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

верхней (старой) выработки междупластье высотой ДА, к весу которого, рав­ ному уДА, на верхнем горизонте Ах добавляется еще давление закладки <т1? возрастающее к середине старой выработки. Однако сумма веса пород междупластья и давления закладки в старой выработке всегда будет меньше полного веса пород покрывающей толщи, равного уА2 (см. рис. 73). Таким образом,

в ее почве, где имеют место вертикальные деформации сжатия. Величина этого д а в л е н и я п о д к о н т у р о м о ч и с т н о й в ы р а б о т к и и рас­ стояние по нормали к пласту, на которое оно распространяется, зависят от глубины заложения верхней выработки и от ее площади. По ним с помощью формулы (1 ) можно вычислить нагрузку от подработанного массива горных пород, а также от изгибной жесткости породных слоев кровли и реакции осно­ вания (закладки), по которым при помощи формулы (2 1 ) можно вывести за­ ключение о характере распределения давления. Если принять, что при полной подработке около 75% нагрузки от веса пород воспринимается закладкой, а остальные 25% передаются на краевые части разрабатываемого пласта в видо дополнительного (опорного) давления (рис. 74), то при ширине краевой зоны

в 5 раз превысит горное давление от веса пород покрывающей толщи, равнога 2,5А = 2000 Н/см2. При неполной подработке абсолютная величина опорного давления будет, естественно, меньше, чем при полной подработке.

Изолинии опорного давления («луковицы давления») распространяются на большое расстояние в глубь пород кровли и почвы выработки, захватывая также породные слои почвы поля закладки (рис. 74). Проходящая в области опорного давления новая очистная выработка по нижележащему пласту 1 или 2 раза пересекается доходящими до ее горизонта изолиниями опорного давле­ ния. Если известны значения пересекающих новую очистную выработку изо­ линий, можно при помощи диаграммы деформаций закладки и формулы (13), рассматривая породы междупластья как изгибающуюся балку, приближенно определить по опорному давлению искомые величины опускания кровли в от­ дельных местах новой выработки. При малосвязных породах непосредственной и основной кровли опускание ее в отдельных точках может быть оценено непо­ средственно по отношению опорного давления и конвергенции закладки.

При последовательной отработке свиты пластов сверху вниз в массиве гор­ ных пород образуется глубокая мульда с крутыми склонами (см. рис. 70). Ее необычная воронкообразная форма объясняется интенсивным расслоением и нарушением связности пород горного массива, и для расчета сдвижения пород,

5*

сконцентрированных в небольшом объеме горного массива, была предложена палетка (интеграционная сетка), внутренним зонам которой приписаны боль­ шие значения показателей влияния, чем внешним (см. рис. 38). Вычисленные с помощью такой палетки оседания для средней части мульды отличаются от фактических, полученных по наблюдениям, на 10—30%. Многократно под­ работанные и нарушенные породные слои кровли утрачивают часть своей изгибной жесткости, так что давление на закладку и конвергенция в верхних выемочных полях возрастают вместе с увеличением степени подработанности, следствием чего является постепенное повышение защитного эффекта от отра­ ботки вышележащего пласта. Так, например, сложенная песчаником кровля, нарушенная, разрыхленная и ослабленная многократным воздействием растя­ жения при изгибе, с течением времени приобретает деформационные свойства аналогично слабому слою глинистого сланца, вследствие чего, в соответствии с рис. 8 , в центре выемочного поля происходит повторное опускание кровли на 4—6 % аМ, а в краевой зоне выработанного пространства — почти на 2 0 % аМ. Это дополнительное реологическое опускание кровли в выработках верх­ них горизонтов компенсирует уменьшение конвергенции в выработках нижних горизонтов, находящихся в породах кровли еще не потерявших своей несущей способности и даже превосходит его при разработке большого числа пластов. Поэтому для средней части мульды могут быть получены заниженные значения оседаний, если при расчете не учесть наличия в породах кровли слоев с пони­ женным сопротивлением изгибу. Так, например, в одном из случаев разработки свиты из шести угольных пластов суммарной мощностью 9 м фактическое опу­ скание устья шахтного ствола (3,03 м) в условиях неполной подработки оказа­

Другой причиной дополнительного увеличения конвергенции в повторно подрабатывавшейся очистной выработке является меньшее опускание краевых зон выработки по сравнению с опусканием ее средней части, так как в мулОДообразно опустившемся поле старой выработки происходит перераспределение горного давления (рис. 75). Слои горных пород кровли, перекрывающие сред­ нюю часть выемочного поля, снимают часть нагрузки на закладку, передавая ее в краевую зону выработки, на края мульды, где, следовательно, давление на закладку возрастает, вызывая ее добавочное уплотнение. Обратная кар^Ва наблюдается в точках горного массива и земной поверхности, лежащих контуром выработки и в зоне опорного давления. Здесь расчет дает завышенное значения оседаний, так как для краевой зоны выработки часто с целью упро­ щения вместо упоминавшегося представления кривой опускания кровли в ННде последовательных уступов в уравнение (4 7 ) подставляют величину полИ^о оседания аМ , причем обусловленное этой ошибкой расхождение, суммирУН^ь от пласта к пласту, может достигать 26% аМ ч как это показано на рис- ч). Кроме того, несовпадение результатов расчета с фактическими сдвижонНН^и точек может быть вызвано неучетом изменений граничного угла, который 0 На­ рушенном породном массиве больше, чем в ненарушенном. Как раз при разра­ ботке свиты пластов особенно важно не оставлять без внимания влияние с0^д-

Рис. 75.

Вторичная конвергенция в подработанной и претерпевшей мульдообразное оседание старой выра ботке и перераспределение вер­ тикальном составляющей горного давле­

ния:

1 — выработанное пространство; 2 — вторичная конвергенция; 3 — увеличение давления; 4 — разгрузна

Рис. 76.

Изменение разгрузки и давления иод границей очистной выработки, пройденной на глубине

800 м:

1 — краевое давление; 2 — разгрузка; 3 — давление от веса пород покрывающей толщи yh\ 4 — очистная выработка; 5 — краевое давление; 6 — разгрузка и поднятие почвы

них горных выработок на процесс сдвижения в подрабатываемом породном

МаССКак показывают измерения поднятия пород почвы и наблюдения за про­

меньшей мере 250 м. Кроме того, при определении нагрузки или Разгрузки (для

а от 4000 Н/см2.

6.4.

Повышение горного давления, связанное с оставлением целика в поле очистной выработки

Если между двумя очистными выработками остается участок невынутого угля, то он будет поддерживать подработанный массив горных пород на небольшом по площади участке, подобно опорному целику, и передавать значительную нагрузку на нижележащие слои горных пород, причем конвергенция в огиба­ ющем этот целик выработанном пространстве возрастет под действием сжима­ ющих напряжений, возникающих над и под целиком. Особенность влияния целика на процесс сдвижения заключается в том, что зоны опорного давления с обеих сторон целика накладываются одна на другую и могут даже образо­ вать только один максимум давления в середине целика, если последний Имеет очень малый размер в поперечнике (рис. 77). Таким образом, влияние Оста­ вленного целика представляет собой частный случай взаимного наложения давлений под контуром выработки при сближении двух очистных выработок, весьма опасный с точки зрения возможности возникновения горных ударов. Давление, вызванное оставлением целика, значительно больше опорного давления под контуром выработки, а его влияние распространяется на зна­ чительно более обширную область.

Действующая на целик нагрузка зависит от площади примыкающих к Нему выемочных полей и от характера распределения нагрузок в их пределах. На­ грузка от веса подработанного массива горных пород, не воспринятая заклад­ кой или обрушенными породами, распределяется на опорную площадь ленточ­ ных или столбчатых целиков, и естественно, что пик давления в середине целика будет тем выше, чем меньше его опорная площадь. Несущая способность целика ограничивается прочностью угля на сжатие, существенно зависящей от сопро­ тивления угольного пласта поперечному деформированию и от его сопротивле­ ния трению по контактам с горными породами. В толще целика уголь, находя­ щийся в условиях всестороннего сжатия, может выдержать напряжении до 20 000 Н/см2, в то время как его прочность на одноосное сжатие в краевой части целика колеблется в пределах 500—4000 Н/см2. Предельные напряжения около 20 000 Н/см2 при условии параболического распределения нагрузку на ленточный целик шириной 40—50 м могут возникнуть в целике, оставленном, на глубине 800 м, в условиях полной подработки с обеих сторон целика, каН это можно предполагать из выполненного но формуле (119) расчета, показывающего, что средняя нагрузка на краевую зону пласта шириной 30 м составляет 940о + 2000 = 11 400 Н/см2. Одиночный максимум давления (20 000 Н/см2) ме>кст

несущей способности целика). Под ленточным целиком, имеющим ширину 2а.

Уь

Рис. 77.

Распределение давления в оставленном между двумя очистными выработками узком целике

и в горных породах под этим целиком (увеличение конвергенции в новой очистной выработке, подрабатывающей целик):

1 — снижение напряжений до 50%; 2 — нижележащая очистная выработка; з — добавочное давление

Рис. 78.

Снижение пика давления иод серединой целика, оставленного между очистпыми выработ­ ками на глубине 800 м:

2 _при ленточном целике шириной 50 м; 2 — при круглом целике диаметром 60 м

возникает максимум опорного давления ртах, создающий в упругой среде напря­ жения, убывающие обратно пропорционально квадрату глубины, в соответ­ ствии с выражением

сделано в формуле (114). Максимум опорного давления ст2 гаак, которое в сере­ дине ленточного целика на глубине 800 м достигает Щ Н = 20 000 Н/см2, на расстоянии 250 м ниже подошвы целика уменьшается до величины, лишь вдвое превышающей давление от веса пород покрывающей толщи, т. е. до 4000 Н/см2, как это видно из рис. 78.

Несмотря на то, что сжатие под оставленным целиком значительно выше, чем под контуром очистной выработки (в 50 м под целиком оно достигает 9000, а в 50 м под контуром выработки — 4000 Н/см ), вызванная оставлением

целика конвергенция в нижележащем выемочном ноле редко бывает больше, чем конвергенция, обусловленная влиянием границы очистной выработки, так как при давлениях более 2000 Н/см2 конвергенция в закладке увеличивается лишь в незначительной степени. Отсюда следует, что указанный выше прирост кон­ вергенции от влияния давления под контуром очистной выработки (4—5% аМ) может быть принят и для оценки влияния от оставления целиков. Однако ширина зоны повышенной или повторной конвергенции под оставленным цели­ ком бывает, как правило, больше, чем под контуром очистной выработки — приближенно границы этой зоны определяются линией, оконтуривающей об ласть, в пределах которой давление не превышает 50% опорного давления

6.5.

Изменение давления горных пород во времени

Поле напряжений над и под очистной выработкой в ходе очистных работ быстро меняется как в отношении пространственного распределения напряжений, так и в отношении изменения их величины (сравнить первую и вторую стадии раз­ вития процесса оседаний на рис. 30). Только после прекращения горных работ восстанавливается стационарное поле напряжений, отвечающее предваритель­ ному состоянию равновесия, наступающему после затухания процесса сдвиже­ ний, т. е. через 1—5 лет после прекращения горных работ (третья стадия раз­ вития процесса на рис. 30). После этого происходит длительный процесс обра­ зования трещин и деформаций, приводящий в конце концов к взаимной компен­ сации сжимающих и растягивающих напряжений. Теоретически этот процесс реологического выравнивания поля напряжений может продолжаться беско­ нечно долго, однако практически его можно считать в общем и целом закончи­ вшимся, когда все пустоты и зазоры в выработанных пространствах полностью заполнятся и разрыхленные участки породного массива горных пород доста­

или на расположенный между двумя очистными выработками целик постепенно возрастает, потому что нагрузка на закладку и на неподвижную границу вы­ работки возрастает пропорционально степени подработанности породного мас­ сива, пока не будет достигнута площадь очистной выработки, соответствующая полной подработке. Следовательно, прирост горного давления во времени зави­ сит в основном от подвигания очистных работ. В двух выемочных полях, нахо­ дящихся на одной и той же глубине, при одинаковой скорости подвигания очи-^ стных работ давление над границей выработки и разгрузка пород почвы во вре­ мени будут более интенсивными в той очистной выработке, в которой породные слои кровли имеют большую изгибную жесткость, пласт сложеп более жестким углем, закладка обладает большей податливостью и вынимаемая мощность больше. В противоположность этому возвращение массива горных пород в пер­

сложен более слабым углем, закладка более уплотнена и вынимаемая мощность

Изменение во времени горного давления над очистной выработкой (очистные работы ведутся •слева направо):

I — забой, от которого начинались очистные работы; II — значительная конвергенция; III — конечное положение забои; р, — давление; р2 — разгрузка

меньше. На третьей стадии развития процесса сдвижений, длящейся от одного до пяти лет после прекращения горных работ, давление на исходный (непод­ вижный) забой и на оставленный целик несколько снижается, так как по мере прогиба слоев горных пород кровли и уплотнения закладки возрастает доля нагрузки, воспринимаемая полем закладки (рис. 79). Соответственно этому происходит и разгрузка в породных слоях, залегающих над и под выработан­ ным пространством.

Над движущимся (добычным) забоем давление в начале отработки выемоч­ ного поля возрастает до тех пор, пока очистная выработка не достигнет таких размеров, зависящих от подвигания забоя и от степени деформирования кровли и закладки, при которых увеличение несущей способности закладки за опре­ деленный промежуток времени соответствует приросту нагрузки от вновь под­ работанного породного блока. При этом опорное давление над движущимся очистным забоем сохраняется примерно постоянным. После прекращения очист­ ных работ давление над этим забоем несколько снижается, если вследствие •сильного прогиба породных слоев кровли в краевой области выемочного поля возрастет доля нагрузки, воспринимаемой закладкой или обрушенными по­ родами.

Распределение напряжений в массиве горных пород и процесс возникнове­ ния в нем трещин поддаются регулированию проведением таких горнотехниче­ ских мероприятий, как выбор надлежащей скорости подвигания очистных ра­ бот, правильная организация циклического рабочего процесса и выбор той или иной системы разработки (с обрушением кровли или с закладкой выработан­ ного пространства). При большой скорости подвигания очистных работ, напри­ мер 5 м/сут (в условиях разработки каменного угля), над границей очистной выработки происходит быстрая смена нагрузки и разгрузки слоев горных пород, повышающая склонность пород к разрушению в такой же степени, как хмена быстрого и замедленного прогиба слоев горных пород кровли над не

успевшей еще уплотниться закладкой или обрушенными породами, в конце рабочей недели после непрерывного ведения добычных работ в течение 5 сут. Для выемки угля с обрушением кровли необходимо, чтобы породы были сильно­ трещиноватыми, так как при этом слои горных пород основной кровли проги­ баются и искривляются почти вдвое сильнее, чем при разработке с полной закладкой выработапного пространства.

Обобщая сказанное выше, можно сделать следующие выводы относительно зависимости напряженного состояния массива и процесса сдвижений от трещи­ новатости и степени подработаыности породного массива. Расслоение и трещино­ ватость массива горных пород, помимо природной структурной трещиноватости слоев горных пород, зависят от технологии очистных работ, последовательности ведения этих работ во времени (ритма горных работ) и от степени подработанности массива. В свою очередь, степень подработаиности горного массива определяется числом одновременно разрабатываемых пластов, залегающих на разных горизонтах, и полнотой выемки полезного ископаемого, т. е. нали­ чием краевых зон, границ очистных выработок и оставленных целиков.

6.6.

Разбухание слоев горных пород, содержащих глинистые компоненты

Нарушенные проведением горных выработок слои горных пород разупрочияются и разрыхляются за счет образования трещин и при разгрузке упруго деформируются, увеличиваясь в объеме. Однако объем горных пород может увеличиваться также вследствие их разбухания, если залегающие слои содер­ жат глинистые компоненты и подвержены воздействию подземных вод или влаги, содержащейся в воздухе. Вследствие такого объемного расширения вскрытых слоев горных пород, не зависящего от напряженного состояния гор­ ного массива, выработанное пространство может в такой степени сократиться, что заметно уменьшатся сдвижения горных пород, вызванные ведением гор­ ных работ.

Давно известна способность глинистого известково-слюдистого мине­ рала — монтмориллонита (кальциевого иллита) разбухать за счет воды, моле­ кулы которой скапливаются между его чешуйками. Поглощение этим минера­ лом воды облегчается тем, что несущие слабый отрицательный заряд силикат­ ные слои взаимно отталкиваются, давая возможность обладающим слабым поло­ жительным зарядом катионам (молекулам воды) проникать в промежутки между ними. Разбухающий монтмориллонит в отложениях Рурского карбонавстречается редко, однако обширные исследования вмещающих пород этого района [178] дали возможность установить взаимосвязь между склонностью пород к разбуханию, содержанием в них часто встречающихся мусковитиллитов и ионным потенциалом введенного соляного раствора. Если из этого калиевого иллита удалить выщелачиванием положительные ионы калия и за­ менить их также положительными ионами кальция или магния, то он пре­ вращается в родственный монтмориллониту «способный к расширению иллит», поглощающий воду. Наоборот, обработанный раствором калийной соли каль-

циевый иллит снова переходит в нормальный, неразбухающий иллит. Таким образом, склонность вмещающих массив горных пород к разбуханию зависит как от содержания в них «способного к расширению иллита», так и от химиче­ ского состава шахтных вод, в частности от содержания в них кальция и магния.

Растворы калийных солей с низким ионным потенциалом уменьшают склонность глинистых сланцев к разбуханию.

Вскрытые слои глинистых сланцев при наличии притока воды разбухают в направлении, нормальном к напластованию, на 1—3%, но нередки случаи, когда разбухание достигает 10—20% их мощности [387]. Это означает, что мощ­ ность содержащего иллит породного слоя, первоначально составлявшая 5 м, может в результате разбухания возрасти до 15 см, а иногда и больше. В напра­ влении, параллельном напластованию, разбухание пород примерно вдвое меньше. Поэтому при расчете опускания породных слоев кровли необходимо учитывать возможность разбухания содержащих глинистые компоненты слоев непосред­ ственной кровли и почвы, принимая для расчета вынимаемую мощность М, уменьшенную на величину разбухания пород в направлении, нормальном к напластованию, т. е. на 5—10%. Равным образом должен быть уменьшен и коэффициент оседания а, если при использовании влажного закладочного материала можно ожидать его разбухания или снижения его прочности на сжа­ тие, поскольку, как известно, прочностные показатели горных пород снижа­ ются при поглощении этими породами воды.

Наконец, необходимо упомянуть еще о сдвижениях горных пород, связан­ ных с затоплением заброшенных горных выработок. Если содержавшийся в горных выработках воздух вытеснен водой, то на почву этих выработок будет действовать дополнительная нагрузка, которая определяется высотой водяного столба Н. Эта нагрузка, на глубине 800 м равная 800 Н/см2, приво­ дит к опусканию почвы затопленных выработок на несколько сантиметров. Поскольку гидростатическое давление заполняющей выработки воды действует с одинаковой силой во всех направлениях, т. е. не только на почву, но и на кровлю и стенки выработок, то объем выработок вследствие этого незначитель­ но увеличивается, еще неуплотпившаяся закладка разгружается и породные слои кровли немного приподнимаются. Породы междунластья подвергаются действию сжимающей нагрузки, равной разности давлений водяного столба на верхнем и нижпем горизонтах этого междунластья. На верхних горизонтах массива горных пород, сложенного перемежающимися слоями глинистых и рыхлых песчаных пород, при подъеме уровня воды происходит поднятие слоев на несколько сантиметров, поскольку окруженные водой песчаные частицы взвешиваются, а залегающие под песчаными слоями слои глинистых пород при этом разгружаются, получая возможность увеличиться в объеме вследствие разбухания [21, 301]. Часто наблюдающиеся в краевых зонах мульд оседания поднятия земной поверхности на несколько сантиметров также могут возникать

7.1.

История проблемы

В Германии интерес к проблеме сдвижения земной поверхности, связанный с разработкой угольных месторождений, возник в середине прошлого столетия, когда от выемки угольных пластов штольнями перешли к разработке их при помощи подземных выработок, пройденных на значительной глубине. Уже около 1860 г. железнодорожные компании в Рурской области проводили высот­ ные съемки, чтобы выяснить оседание рельсовых путей при разрешении спорных вопросов об ущербе, нанесенном железнодорожному хозяйству в результате ведения горных разработок. На основе этих и подобных им наблюдений около 1870 г. в Германии и других странах появились многочисленные научные работы о сдвижении земной поверхности под влиянием подземных горных разработок и были предложены различные формулы для расчета возможных оседаний земной поверхности.

Первая появившаяся в литературе формула для определения оседания над серединой очистной выработки, в которой производится выемка угля с обруше­

где М — вынимаемая мощность пласта и а — угол падения породных слоев. Из этой формулы следовало, что при горизонтальном залегании пласта оседание должно равняться мощности разрабатываемого пласта. В формуле, при помощи которой около 1895 г. в районе г. Эссена оценивали размер ущерба

от горных разработок, имевшей вид

коэффициентами а и z уже учитывались способ выемки угля (с обрушением кровли или с закладкой выработанного пространства) и время, прошедшее после прекращения очистных работ. Позднее была установлена взаимосвязь между количеством вынутого на данном участке угля и объемом образовавшейся на земной поверхности мульды оседания, а также введены коэффициенты, учи­ тывающие глубину разработки и увеличение объема сместившихся пород вследствие их разрыхления [103].

Значительному развитию исследований процесса сдвижения способство­ вало основанное в 1899 г. Эмшерское товарищество, проводившее регулярные наблюдения за оседанием земной поверхности и расчеты ожидаемых оседаний с целью принятия мер против возможных последствий затопления опусти­ вшихся участков местности. В результате этих наблюдений в формуле (123) стали учитывать не принимавшуюся ранее в расчет площадь выемочного уча