книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

100

у

растающая к середине очистной выработки крутизна кривых зависимости оседания от времени на поперечном профиле (рис. 161) — здесь учтено, что для каждой точки имеет место различное конечное оседание. Следовательно, скорость оседания точки земной поверхности зависит не только от скорости подвигания очистных работ, но и от положения этой точки относительно очи­ стного забоя. Рассматриваемая точка в каждую единицу времени получает новый «импульс влияния», величина которого зависит от размеров очистной выработки, скорости подвигания забоя и положения данной точки относительно фронта горных работ, следствием чего является соответствующее изменение скорости оседания — его ускорение или замедление. Постепенное возрастание, а затем, наоборот, убывание этих «импульсов» выражается в ходе кривых зависимости оседания от времени.

Типовая кривая зависимости оседания от времени может быть выведена аналитически из к р и в о й о с е д а н и й в о в р е м е н и z (t), если исхо­ дить из предположения о ее применимости к любой части очистной выработки и к любой скорости подвигания очистных работ [318], что, как показывают последние наблюдения, справедливо только для условий первой подработки. При этом методе бесконечно малые составляющие dvz влияния выемки узких полос dx пласта на точку Р при помощи временного коэффициента z с учетом различной для каждой полосы продолжительности влияния t трансформи­ руются в величины dvzp>nn для промежуточных моментов времени, которые затем суммируются по всей площади очистной выработки, чтобы получить искомое значение оседания у2 дим т о ч к и Р для промежуточного момента вре­ мени. Так, например, отрабатываемая полоса dx, расположенная на расстоя­ нии х, при положении забоя i создает в точке Р некоторое оседание

площади полной подработки полосами на основе изменения наклонов иг и временного коэф­ фициента z (а) и схема, показывающая взаимосвязь оседания в точке Р, вызванного выемкой полосы 3—«?', с наклоном типовой кривой оседания в этом месте (б)

dvz, если элемент площади очистной выработки в виде полосы лежит на рас­ стоянии (i — х) позади забоя (рис. 162, а) и, в соответствии с этим, при годо­ вом подвигании очистных работ I (в метрах) за промежуток времени

-создает в точке Р промежуточное оседание

Поэтому кривая врехменного коэффициента на рис. 162 должна строиться влево от положения забоя i, чтобы по этой кривой z (t) можно было определить степень влияния для каждого предшествовавшего элемента очистной выра­ ботки. При этом оседание точки Р для промежуточного момента времени при •отработке всей площади составит

г= 0

Вэтом уравнении дифференциальное влияние duz выемки узких полос

на оседание точки Р заменено наклоном типовой кривой оседания vi (х) ^ = dvjdx в точке х вынимаемой полосы. Как известно, окончательное оседа­ ние uz точки Р земной поверхности при отработке площади полной подработки полосами от 1 до 5 возрастает в соответствии с типовой кривой оседания от О при положении забоя 1 до Vyh = аМ при положении забоя 5 (рис. 162, б).

О 1 Z 3 h- t,годы

Рис. 164.

Типовые кривые оседания при раз­ личной скорости подвпгашгя очист­ ных работ ("318]

Рис. 163.

Развитие во времени оседания точки земной поверхности при различной скорости подипганпя очистных работ [318]

Это, между прочим, используется также при расчете оседаний при помощи таблиц функции К г (см. подраздел 8.3.4). Приращение оседания dvz в точке Р , вызываемое бесконечно малым подвиганием очистного забоя на величину dx от положения 3 до положения 3', соответствует наклону vz (х) типовой кривой оседания над точкой х = 3, так что выемка узкой полосы dx в точке 3 сопровождается увеличением степени влияния dvz = v'z (х3). Произведение наклонов vz (х) на соответствующие значения временного коэффициента z (х) даст, в конце концов, некоторую кривую, огибающую заштрихованную на ри­ сунке площадь А , которая представляет собой искомое оседание точек г;гдин для промежуточного момента времени.

На рис. 163 показано такое графическое решение задачи для некоторой точки земной поверхности для различных годовых скоростей подвигания очист­ ных работ. По наклонам полученных типовых кривых зависимости оседания от времени можно видеть, что скорость оседания точки приблизительно пропорци­ ональна скорости подвигания очистных работ. Поэтому и значения временного коэффициента, полученные по данным наблюдений за оседанием земной поверхно­ сти над непрерывно отрабатываемой очистной выработкой, зависят от скорости подвигания очистных работ и от выбора величины участков очистной выработ­

жущимся добычным забоем, показанная на рис. 158, может быть получена при помощи описанного способа графически, путем набора большого числа точек профиля. На рис. 164 показано такое построение для одного положения очистного забоя и для различных скоростей его подвигания — от 0 до 27? в год, а на рис. 165 — для нескольких различных положений забоя, от х = 0,57? до х = 27?. Из рис. 164 можно видеть, что профиль мульды получается тем более пологим, чем быстрее ведутся горные работы, потому что в зависимости от скорости подвигания забоя данное его положение достигается раньше или, наоборот, позднее, так что, например, при большой скорости подвигания про-

Рис. 165.

Профили мульды сдвижения, построенные над очистной выработкой, непрерывно отраба­ тываемой до площади полной подработки:

I — земная поверхность; II — вторичное оседание; 1, 2, 3, 4 — кривые для моментов времени, соответ­ ствующих подвиганию очистного забоя на расстояние, равное соответственно 0,5 Л, 1 Л, 1,5 Л и 2Л; 5 — кри­ вая для конечной стадии процесса сдвижения

явление влияния очистных работ будет менее длительным, прогиб породных слоев небольшим и уплотнение закладки также незначительным.

Из рис. 165 можно видеть, что при неизменной скорости подвигания очист­ ных работ точка с наибольшим оседанием во всех промежуточных стадиях развития мульды сдвижения смещена относительно середины мульды влево, т. е. к исходному забою. При этом наклоны и кривизна ни в одной из промежу­ точных стадий не достигают таких величин, как в конечной стадии для соответ­ ствующего положения забоя, что весьма существенно для прогноза максималь­ ных наклонов, кривизны и горизонтальных деформаций. Кроме того, особо важное значение для ведения горных работ с наименьшим ущербом для подра­ батываемых сооружений имеет то обстоятельство, что форма правого (перед­ него) склона мульды остается неизменной и этот склон перемещается, подобно волне, следуя за движением очистного забоя, пока размер очистной выработки не достигнет такой величины, при которой в середине выемочного поля конвер­ генция примет наибольшее значение, приблизительно равное аМ. В примере, показанном на рис. 165, это произойдет при длине выемочного поля, равной 1,5Л (положение забоя 5).

В этой связи следует, однако, указать на особенности развития процесса сдвижения, рассмотренные в разделе 10.1, из-за которых указанные законо­ мерности, т. е. выполаживание следующего за забоем склона мульды при увели­ чении скорости подвигания очистных работ (см. рис. 164) и малые величины наклонов и кривизны для промежуточных форм мульды оседания (см. рис. 165) не должны распространяться ни на случай подработки трещиноватого пород­ ного массива при ведении горных работ на малых глубинах при наличии пре­ допределенных структурой массива поверхностей скольжения и незначитель­ ном вторичном оседании, ни на случай, когда при весьма большой скорости развития очистных работ оседание земной поверхности происходит не непре­ рывно, а периодически, с недельными интервалами. Все же для породного мас­ сива с преобладанием деформаций изгиба и с верхним слоем, сложенным сла­ быми породами, сохраняют силу выводы, сделанные на основе уравнения (334).

Рис. 166.

Схема к определению оседания для промежу­ точных стадий процесса сдвижения по расчетной

ния для временного ко­ эффициента, равного 0,4 при скорости подвигания забоя 1,35м/сут. (Кри­ вая замедления оседания строится по кривой из­ меренных оседаний в раз­ личные моменты времени путем переноса величин

Р и q):

е— коэффициент влияния

Впоследнее время к уже ранее исследованным закономерностям изменений скорости оседания добавилось новое понятие — замедление (запаздывание) оседания [50]. Это запаздывание dt для момента времени t представляет собой разность между величиной оседания точки на наблюдательной линии, вычис­ ленной для того или иного положения забоя при z = 1 (vz = аМе-1), которая должна была бы быть, если бы процесс оседания развивался без задержки (рис. 166), и динамическим значением оседания у2ДИ„, измеренным в соответ­ ствующей точке земной поверхности по достижении очистным забоем указан­

Для показанного на рис. 166 примера (Я =■ 525 м, скорость подвигания очистных работ 1,35 м/сут) максимум замедления оседания составляет около 38% того конечного значения VZKOHI которое устанавливается после отработки всей полосы площади полной подработки. Этот максимум достигается при положении забоя, для которого оседание, вычисленное при z = 1, составляет 75% конечного оседания. При выходе контуров очистной выработки за пределы круга площади полной подработки для данной точки земной поверхности фактическая величина оседания этой точки на 27,5% меньше вычисленного коне­ чного значения; для рассмотренного примера, взятого из практики горных работ в северной части Рурской области ФРГ, статическое вторичное оседание после прекращения очистных работ продолжается еще в течение двух с половиной лет. Динамическое остаточное оседание позади движущегося добычного забоя с учетом конечного состояния влияния горных работ етах длится примерно полтора года. В сильно подработанном породном массиве, а также при ведении горных работ на малых глубинах процесс незначительного вторичного оседания (5—10%) может закончиться уже через несколько месяцев.

Ход изменения во времени горизонтальных деформаций растяжения и сжа­ тия может быть установлен по форме профилей мульды сдвижения для

В точке Р кривая горизонтальных деформаций имеет минимум, так как лежащая под этой точкой узкая полоса очистной выработки (положение 2) не создает в точке Р воздействий, вызывающих горизонтальные сдвижения [319]. Величины горизонтальных деформаций, являющиеся значениями первой производной кривой горизонтальных сдвижений dvjdx и характеризующие величины сдвижений, вызванные влиянием отдельных элементов очистной выработки и во времени непосредственно пропорциональные промежуточным значениям оседания, при непрерывном ведении очистных работ входят как величины наклонов в уравнение (334) только в пропорции, отвечающей соот­ ветствующему значению временного коэффициента z для точки Р.

Этим способом были вычислены показанные на рис. 168 кривые горизон­ тальных сдвижений для положений забоя х, равных 0,5#, 1# и 2JF?, и сопоста­ влены с аналогичными кривыми для конечной стадии процесса (z = 1). Опас­ ные деформации сжатия (критические максимумы сжатия) возникают в конеч­ ной стадии над забоем, остановленным в положении х = R. Величины горизон­ тальных деформаций для промежуточных моментов, за вычетом зоны над сере­ диной площади полной подработки, во всех случаях меньше их значений, вы­ численных для конечной стадии (z = 1) для таких же положений очистнога забоя. С увеличением скорости подвигания очистных работ деформации умень­ шаются. поскольку мульда при этом получается более пологой. Однако при ведении работ в уже подработанном породном массиве, а тем более при разра­ ботках на малых глубинах следствием увеличения скорости подвигания горных работ может быть смещение породных блоков по заранее предопределенным траекториям и образование мульд оседания с крутыми склонами, т. е. увели­ чение горизонтальных деформаций (см. подраздел 10.1). Свободные от горизон­ тальных деформаций («нейтральные») зоны перехода растяжений в сжатия с уве­ личением длины очистной выработки смещаются ближе к вертикали, проведен­ ной через границу очистной выработки, за исключением динамической кривой над движущимся забоем, где эта зона еще более смещается внутрь выработки, так что она все более отстает от продвигающегося вперед забоя. Так, напримерг при скорости подвигания очистных работ 3 м/сут, глубине разработки 200 м и отсутствии мощной толщи покрывающих пород максимум деформаций растя­ жения в этой «волне деформаций» лежит на расстоянии 0,15#, максимум на­ клонов — на расстоянии 0,3#, максимум деформаций сжатия — на расстоянии 0,5# (# = 165 м) позади забоя [324]. Над неподвижным (левым) забоем (см. рис. 168) уже при длине очистной выработки, равной # , разность между динами­ ческим и конечным значениями горизонтальной деформации (в данном случае растяжения) сравнительно невелика.

1,5 м/сут, а теперь в среднем равных 2,5 м/сут и в отдельных случаях достига­ ющих 4—5 м/сут, некоторые исследователи считают причиной часто наблюда­ ющегося в Рурской области ФРГ образования несимметричных мульд сдвиже­ ния с крутыми склонами. Следует заметить, что такого рода несимметричные мульды с крутыми склонами наблюдались в Саарском бассейне и в Рурской области уже ранее при небольших скоростях подвигания горных работ, в слу­

чаях многократной подработки породного массива, как, например, при выемке угля из околоствольных целиков. Однако на основе выполненных до сих пор измерений возникло мнение, будто бы образованию мульд сдвижения с такой отличающейся от «учебного примера» формой способствует современная техноло­ гия горных работ, так что несимметричные мульды с крутыми склонами и не­ значительным оседанием в зоне давления могли бы наблюдаться уже при пер­ вой подработке ранее отработанных участков пласта [225, 420]. Таким обра­ зом, предполагается, что, несмотря на то, что степень подработки породного массива при выемке второго пласта, как правило, еще невелика, разупрочнение породных блоков при большой скорости подвигания горных работ и преоблада­ ющем применении систем разработки с обрушением кровли должно усиливаться за счет периодических посадок кровли, причем образующиеся при этом тре­ щины отрыва при каждой последующей подработке должны увеличиваться, служа своего рода поверхностями скольжения при прогибе пород основной кровли (см. рис. 18).

Современный ритм работ в горной промышленности, при котором пять суток, в течение которых ведутся (иногда без перерыва) добычные работы, сменяются двухсуточным периодом покоя, приводит к тому, что на протяжении втих двух суток простоя в конце недели слои кровли продолжают прогибаться, причем смещения породных блоков происходят преимущественно по име­ ющимся ранее трещинам и по вновь возникшим поверхностям отрыва (см. рис. 7). Распространяющиеся на большое расстояние трещины над остановлен­ ным забоем и смещения породных блоков по крутопадающим поверхностям скольжения могут дойти до земной поверхности и вызвать там серьезные по­ вреждения зданий и сооружений, если сложенный скальными породами горный массив не перекрыт мощными слоями рыхлых пород, действующими подобно подушке, ограждающей фундамент сооружения от разрывных деформаций пород кровли, и если глубина разработки не превышает 200 м [324]. После периодически повторяющихся в течение всех пяти рабочих дней недели посадок кровли (см. рис. 20) давление на закладку в краевой зоне очистной выработки возрастает и максимум опорного давления вновь смещается от забоя в глубь массива (см. рис. 70). Сравнительно быстрая подработка и обнажение кровли по длине, достигающей за пять рабочих дней 25 м, приводит к тому, что после образования в породах основной кровли трещины отрыва происходит очень быстрое вторичное оседание этих пород на только что обрушившийся породный блок, которое в сильно подработанном породном массиве может проявиться на земной поверхности в виде быстрого увеличения глубины мульды оседания над добычным забоем (рис. 169). После следующих пяти рабочих дней, на про­ тяжении которых очень пологая краевая зона мульды, следуя за движением забоя, продвинется в зону опорного давления, произойдет новое углубление мульды оседания над только что отработанной полосой выемочного поля [242]. Таким образом, мульда сдвижения распространяется в направлении развития очистных работ сначала в виде сравнительно незначительного «предваритель­ ного» оседания, развивающегося вслед за движением очистного забоя, а затем резко углубляется над остановленным забоем, так что в связи с перемещением обрушающихся породных блоков в образующейся динамической мульде оседа-

Рис. 169.

Схема асимметричной мульды сдвижения с крутыми склонами, образующейся при большой скорости нодвигания очистных работ и многократной подработке массива горных пород:

1 — первичное оседание; 2 — увеличение глубины мульды; 3 — крутой склон; 4 — бутовая стенка

ния со стороны движущегося забоя образуется крутой склон, который может представлять большую опасность для подрабатываемых сооружений, поскольку здесь резко возрастают наклоны, кривизна и горизонтальные деформации земной поверхности. Таким образом, при высокой степени подработанности породного массива и непрерывном ведении очистных работ с высокими скоро­ стями подвигания забоя на земной поверхности могут иметь место видимыепроявления процесса сдвижения уже во второй фазе этого процесса, характери­ зующейся резким возрастанием оседания и возникновением разрывных дефор­ маций в подрабатываемых породных слоях кровли [420].

В данных условиях оседание земной поверхности над контуром очистной выработки в конечной стадии процесса составляет не половину, а лишь около 30% максимального оседания. Как уже указывалось в подразделе 1.2, это свя­ зано с тем, что линия прогиба пород непосредственной кровли и вышележащего породного слоя за контуром очистной выработки идет тем круче, чем меньше изгибная жесткость пород и чем легче они обрушаются, а также меньше то рас­ стояние, на которое подработанные породные слои передают вглубь зоны пород­ ного давления нагрузку от веса пород покрывающей толщи (см. рис. 8). Быстрое подвигание очистных работ способствует образованию широких, распростра­ няющихся вверх на значительное расстояние трещин, вследствие чего в пород­ ном массиве возрастает интенсивность хрупких и уменьшается интенсивность изгибных деформаций, а процесс сдвижения смещается ближе к середине очи­ стной выработки. Незначительное оседание над контуром очистной выработки и в зоне опорного давления приводит, кроме того, к возникновению двух мак­ симумов оседания, если очистные работы ведутся одновременно в двух противо­ положных направлениях (см. рис. 169). Процесс сдвижения характеризуется предварительным оседанием на протяжении пяти рабочих дней, в течение кото­ рых непрерывно ведутся очистные работы, и дополнительным увеличением глубины мульды в пределах, ограниченных углами разрыва над только что отработанной полосой шириной 25 м, в течение двухдневного периода в конце рабочей недели, когда очистные работы не ведутся. На профиле мульды отчет­ ливо видны два максимума оседания, образующиеся при симметричной отработке пласта расходящимися забоями. При этом часть породного массива

в середине выемочного поля играет роль поддерживающей бутовой стенки

{см. рис. 11).

В дальнейшем можно сказать, что происходящие в процессе ведения очист­ ных работ смены нагрузок дольше всего воздействуют на часть породного мас­ сива, расположенную над исходным забоем, от которого начиналось проведение очистной выработки; поэтому здесь особенно сильно развиваются разрывные деформации, все более охватывающие породные слои, чем и объясняется уси­ ленное оседание земной поверхности над исходным забоем и асимметрия про­ филя мульды по простиранию; за счет сил трения и взаимного зацепления пород­ ных блоков в местах, где их поверхность имеет входящие друг в друга выступы и впадины, оседание передних породных блоков передается в виде нового им­ пульса сдвижения к уже ранее осевшим задним блокам, вследствие чего давле­ ние на закладку здесь должно быть больше, чем со стороны добычного забоя, где изгибная жесткость породных слоев пока еще несколько выше, а разупрочне­ ние системы породных блоков от трещины к трещине еще недостаточно разви­ лось.

10.3.

Расчет развития процесса сдвижения земной поверхности во времени

10.3.1.

Первые разработанные методы и коэффициент замедления

Расчет ожидаемых сдвижений земной поверхности для планирования горных работ чаще всего производится для положений очистных забоев, изменяющихся через квартальные или полугодовые интервалы, принимая z = 1 [339]. При этом простейшем методе расчета подлежащая отработке площадь разбивается на узкие полосы, для каждой из которых определяются оседания и горизонталь­ ное сдвижение в течение соответствующего интервала времени (квартала или полугодия). Суммирование полученных значений до того или иного положения очистных работ даст качественно достоверную картину развития процесса сдвижения в зависимости от увеличения отработанной площади пласта. При по­ мощи этого метода можно, например, судить о том, когда в основании данного сооружения произойдет смена знака деформаций (растяжения перейдут в сжа­ тия) и какого наибольшего значения они могут достичь в самом неблагоприят­ ном случае, при z = 1 (см. рис. 86). При этом, однако, не учитывается то обстоя­ тельство, что степень воздействия выемки полосы очистной выработки на зем­ ную поверхность возрастает с течением времени постепенно, не достигая сразу полной величины. Так, например, через четверть года после выемки полосы степень ее воздействия составляет только 50% наибольшего значения. По­ этому для того, чтобы можно было достоверно прогнозировать ход процесса сдвижения для промежуточных стадий его развития, необходимо кроме коэф­ фициента оседания е при расчете сдвижений земпой поверхности принимать во внимание также влияпие фактора времени z.

В формулах оседания vz = aMez фактор времени является величиной, наименее надежно поддающейся определению. Его получают из результатов