книги / Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

Рас. 241.

Взаимное наложение кривизны вогнутости (работы по пласту А) и кривизны выпуклости (работы по пласту В ). При этом на земной поверхности остается наклон на угол а:

1 и 2 —- оседание соответственно от пласта В и А ; з — суммарное оседание

Рис. 242.

Взаимная компенсация деформации растяжения и сжатия над двумя очистными выработ­ ками, одна из которых опережает другую на расстояние R:

1 — зона растяжений; 2 — зона сжатий; з — сооружение; 4 — неотрабатываемая часть пласта; 5 — пласт JSS 1 ; 6 — пласт № 2

или выпуклом участке мульды, будут испытывать небольшой наклон, который будет большим в направлении вкрест простирания пласта. Подобным же об­ разом можно скомпенсировать кривизну вогнутости, вызванную в централь­ ной части мульды отработкой пласта А (рис. 241), путем наложения кривизны выпуклости краевой части мульды, вызванной влиянием выемки пласта В, однако при этом часто все же не удается исключить наклон полностью.

Даже при благоприятных горно-геологических условиях, т. е. при гори­ зонтальном залегании пласта и отсутствии тектонических нарушений, взаим­ ную компенсацию деформаций растяжения и сжатия для всех промежуточ­ ных стадий развития процесса сдвижения удается осуществить лишь в гру­ бом приближении, как показывает приведенное на рис. 242 сложение кривых горизонтальных сдвижений для двух выработок, одна из которых смещена относительно другой на расстояние R . Деформации сжатия подрабатываемого сооружения, вызванные работами по пласту № 1, будут полностью погашены деформациями растяжения, вызванными выемкой краевой зоны в пласте № 2, только в том случае, если сумма обеих кривых горизонтальных сдвижений даст горизонтальную прямую (± e s = 0). Это может иметь место только при симметричных и конгруэнтных кривых горизонтальных сдвижений, а для этого необходимо, чтобы вынимаемая мощность, деформационная характери­ стика закладки, коэффициент влияния и размеры зон растяжения и сжатия у обеих очистных выработок были одинаковыми. Кроме того, точка

Рис. 243.

Взаимное наложение деформаций растяжения при выемке свиты пластов:

а __образование трещин разрыва ггои деформациях растяжения около 7 мм/м, вызванное проведением очист­ ной выработки № 4 в пределах соседнего шахтного поля (повышенная кривизна земной поверхности над ос­ тавленным целиком); б — суммирование кривых деформаций растяжения, смещенных одна относительно д р у г о й , при уже возникшей ранее трещине разрыва; 1 — суммарное растяжение (7 мм/м); 2 — трещина; 3 —. суммарное оседание; 4 — оставленный целик; 5 — концентрация суммарных растяжений вблизи тре­ щины; 5 — наносы; 7 — трещина

пересечения обеих кривых должна лежать на половине высоты максимума горизонтальных сдвижений vxmax, так как если, например, максимум горизон­ тальных сдвижений vlx max будет больше, то суммарная кривая, показанная на рис. 242 пунктиром, отклонится от прямой линии, что будет указывать на наличие сжатия или растяжения. Частичная компенсация деформаций сжатия и растяжения путем сочетания планов горных работ, показанных на схемах а и г (см. рис. 237), приводит, таким образом, к варианту подработки сооружения двумя пластами со смещением границ выработок по пластам на величину R (см. рис. 242), а это связано с необходимостью отказа от выемки части полезного ископаемого под охраняемым объектом по одному из пластов.

Если границы выработок в нескольких пластах свиты не смещены одна относительно другой (рис. 243), что часто имеет место у границ шахтного поля или горного отвода, деформации растяжения, суммируясь, могут соста­ влять 7 мм/м, при которых на земной поверхности образуются трещины. Ве­ роятность образования трещин еще более возрастает, если с противоположной стороны неотработанной пограничной зоны на соседнем шахтном поле также начинаются очистные работы, так как при этом увеличивается кривизна вы­ пуклости над оставленным целиком. Если трещина на земной поверхности уже имеется, суммирование деформаций растяжения происходит прежде всего в нарушенной зоне, даже если очистные забои смещены один относительно другого. Трещины на земной поверхности могут даже оказаться своего рода защитной мерой, если намеренно создать условия для их образования на рас­ стоянии, от 30 до 50 м перед подрабатываемым сооружением. При этом сдви-

женин земной поверхности у трещины прекращаются и сооружение остается за пределами укороченной мульды сдвижения (см. рис. 88 и 243). Чтобы до­ биться этого, производят отработку нескольких пластов один за другим, почти без опережения, начиная от линии, проведенной от выбранного места трещины на земной поверхности под углом разрыва (выемка обратным ходом).

Ведение горных работ с таким расчетом, чтобы деформации растяжения и сжатия в промежуточные моменты развития процесса сдвижения взаимно компенсировались, особенно в случаях, если наземные объекты подрабатываются выработками одновременно по нескольким пластам свиты, называют гармонич­ ной отработкой: в пластах, залегающих один над другим, отработка отдельных

остается неизменным, и происходит компенсация вызываемых этими забоями деформаций растяжения и сжатия. На рис. 244 показаны два варианта такого способа отработки. Если оба пласта (№ 1 и 2) отрабатываются одновременно от правой границы шахтного поля влево, причем забой по пласту № 1 отстает от забоя по пласту № 2 на расстояние, равное R (случай а), то подрабатывае­ мое сооружение сначала оказывается в зоне деформаций растяжений, созда­ ваемых обоими забоями. При отработке обоих пластов слева направо (случай 6) у подрабатываемого сооружения возникает временно только растяжение, создаваемое выемкой пласта № 1, по величине меньшее, чем в случае а. Таким образом, при неправильном планировании горных работ сооружение может подвергнуться повреждениям еще до того, как будет достигнута компенсация деформаций. Образовавшиеся в фундаменте трещины при продолжении горных работ снова закроются в результате последующего сжимающего воздействия подработки пластом № 1. Однако растяжения и сжатия сооружения в конеч­ ной стадии процесса исчезнут лишь в том случае, если при отработке каждого второго пласта отказаться от выемки полезного ископаемого на участке непо­ средственно под охраняемым сооружением или если во всех пластах выемка произведена до площади полной подработки (рис. 245); в противном случае останется некоторое превышение деформаций сжатия по сравнению с деформа­ циями растяжения. Выемку площади полной подработки можно производить частями, расположенными в шахматном порядке, как это предусматривается так называемой гармоничной выемкой (см. рис. 64, в), однако такой способ отработки далеко не всегда возможен как из-за геологической нарушенное™ пластов, так и из-за наличия уже ранее отработанных участков пласта [228].

Влияние разработки нескольких пластов на земную поверхность может быть в известной мере уменьшено путем целесообразного выбора последова­ тельности их отработки. Так, например, в случае, показанном на рис. 73, можно сначала произвести выемку пласта меньшей мощности, создав тем самым зону разгрузки в кровле и почве более мощного пласта. Под влиянием ранее проведенной по одному из пластов выработки конвергенция в выемочных полях вышележащего и нижележащего пластов будет, вопреки принципу суперпозиции, меньше, чем без предварительной отработки тонкого пласта.

При подработке сооружения горными работами только по одному пласту желательно (если этому не препятствует тектоническая нарушенность массива)

а

5

пласта

Рис. 244.

Гармоничная отработка двух залегающих один над другим пластов под сооружением:

1 — большее растяжение; 2 — меньшее растяжение

начинать подработку несколько в стороне от этого сооружения (рис. 246). При этом над приближающимися к сооружению участками выработки 1 и 2 образуется лишь незначительная волна растяжений. Деформации сжатия, вызываемые выемкой под сооружением участков 3 и 4, будут уменьшены накла­ дывающимися на них деформациями растяжения, обусловленными выемкой участков 3' и 4' в направлении от подрабатываемого сооружения. Таким об­ разом, благодаря смещению исходного забоя в сторону от охраняемого соору­ жения можно добиться того, что в месте расположения сооружения ни дефор­ мации растяжения, ни деформации сжатия не будут достигать своей полной величины.

Невозможность точного расчета сдвижений для промежуточных стадий процесса сдвижения приводит к тому, что мы можем получить лишь качествен­ ную картину взаимного наложения составляющих сдвижений, поскольку суммируются воздействия как участков пласта вблизи исходного забоя, отра­ ботанных несколько месяцев тому назад, так и участков пласта, расположен­ ных непосредственно за добычным забоем. Кроме того, принимаемая при рас­ четах линейная суперпозиция влияний нескольких очистных выработок лишь весьма приближенно описывает характер взаимодействия влияний этих вы­ работок в массиве горных пород и на земной поверхности.

При наклонном или крутом залегании пластов, в связи с асимметрией кривых горизонтальных сдвижений и оседаний в плоскости падения, взаимная компенсация растяжений и сжатий, а также наклонов может быть достигнута полностью только в направлении простирания, в котором процесс сдвижения развивается подобно тому, как при горизонтальном залегании. Кроме того,

14.3.

Конструктивные меры защиты зданий и сооружений

Разработка технических мероприятий, имеющих целью сделать расположен­ ные в районах горных разработок наземные здания и сооружения в большей или меньшей степени нечувствительными к воздействию подработки, вначале

и горизонтальных деформаций земной поверхности (полная защита), или же должно быть защищено от значительных повреждений, могущих нарушить устойчивость здания или сооружения или воспрепятствовать его нормальной эксплуатацииг. Таким образом, действие конструктивных защитных меро­ приятий распространяется только на деформации грунта в непосредственной близости от подрабатываемого сооружения и на передающиеся при этом со­ оружению дополнительные усилия, поскольку подрабатываемое сооружение перемещается (оседает, наклоняется и сдвигается в горизонтальном направле­ нии) вместе с его основанием.

Как известно, изменение вертикального положения в виде оседания или наклона (изменения уклона) имеет особо важное значение для транспортных сооружений и линий коммуникаций, таких, как улицы, дороги, железнодорож­ ные пути, судоходные каналы, нефтепроводы и канализационные трубопро­ воды. Поэтому уже при строительстве этих сооружений в районах горных раз­ работок часто принимают в расчет ожидаемое оседание, за счет чего удается уменьшить в дальнейшем затраты на перестройку, поднятие или снос отдель­ ных сооружений. Однако эти профилактические мероприятия нельзя рассматри­ вать как меры защиты от воздействия подработки в узком смысле, так как в данном случае речь идет о подготовке к быстрому и экономически целесообраз­ ному устранению повреждений, а не о предотвращении возникновения этих повреждений. К подобным профилактическим мероприятиям относятся также вспомогательные устройства в зданиях и сооружениях в виде ниш и опор для домкратов, предназначенных для устранения наклона зданий или опуска­ ния пролетных строений мостов. Что касается передвижки всего здания в це­ лом, то она может играть роль только по отношению к тем или иным сооруже­ ниям, с которыми связано данное здание — подъездным рельсовым путям, конвейерам или трубопроводам.

1 При разработке пласта мощностью 1,5 м на глубине 700 м с обрушением кровли, если размеры очистной выработки не достигают площади полной подработки, оседания могут достигать 1 м, наклоны — 3,5 мм/м, деформации сжатия — 2 мм/м и деформации растя­ жения — 1 мм/м при минимальных радиусах кривизны земной поверхности 50 км (см. рис. 185). При ведении горных работ в сильно подработанном породном массиве или на ма­ лых глубинах деформации сжатия и наклонов могут быть в 2 раза больше (растяжения воз­ растут, но в меньшей степени), а радиусы кривизны — значительно меньше, чем указанные выше.

ные деформации сооружений по п р и н ц и п у п о д а т л и в о с т и , по крайней мере если при этом возникают только волосные трещины и если по­ вреждения не представляют опасности для устойчивости сооружения. При

оружений от воздействия подработки по принципу податливости применяют только в том случае, если деформации превысят заданную допустимую вели­ чину, что позволяет назначить меры защиты в соответствии с чувствитель­ ностью сооружения, стоимость которых будет значительно меньше затратна уси­ ление конструкции по принципу жесткости. Конструктивные элементы соору­ жений, которые из-за недостаточной прочности на изгиб, продольный изгиб, растяжение, сжатие или срез не могут выдержать ожидаемых дополнительных усилий, не разрушаясь, должны оказывать как можно меньшее сопротивление этим усилиям, однако их податливость должна быть по крайней мере не меньше податливости остальных несущих конструкций сооружения. При этом напря­ жения и деформации должны равномерно распределяться по всему сооружению, если не имеется в виду создание такого распределения усилий, чтобы разру­ шение произошло в каком-либо определенном элементе сооружения, легко доступном для осмотра и ремонта. Любое несоответствующее усиление жест­ кости, напротив, увеличивает вероятность повреждения, так как усиленный конструктивный элемент воспринимает большие усилия, чем податливые эле­ менты, что в конечном счете может привести к разрушению в наиболее слабых местах, таких, например, как оконные проемы. Таким образом, степень по­ вреждений возрастает с ростом неравномерности распределения жесткости. Если некоторые встроенные элементы сооружения, как, например, силосные ячейки или фундаменты машин, в соответствии с их назначением должны об­ ладать какой-то другой степенью податливости, отличной от податливости других несущих конструкций, необходимо выяснить, нельзя ли отделить их от остальной конструкции деформационными швами.

В идеальном случае защищенное от воздействия подработки сооружение должно следовать за развитием деформаций земной поверхности без того, чтобы при этом в данном сооружении возникали какие-либо усилия и повре­ ждения [250]. Поэтому конструктивные защитные мероприятия по принципу податливости не ограничиваются только увеличением податливости фунда­ ментов и стен за счет применения малоформатного кирпича, мягкого (известко­ вого) раствора, зазоров в фахверковом заполнении, но включают также устрой­ ство открытых деформационных швов, швов скольжения, качающихся стоек, роликовых опор (против воздействия горизонтальных деформаций) и опирание на три точки (против воздействия кривизны), сообщающие конструктивным элементам сооружения почта неограниченную податливость по отношению к возникающим в грунте основания горизонтальным и вертикальным силам.

Сооружение с полной защитой от воздействия подработки должно выдер­ живать усилия, вызываемые сдвижением грунта при выемке пласта полезного ископаемого, без малейших повреждений. Следовательно, при п о л н о й з а щ и т е должны исключаться как изгиб и кручение, так и горизонтальные деформации сооружения (рис. 249). От деформаций изгиба и кручения

1

Рис. 249.

Принципиальная схема полной защиты сооружения, имеющего значительную изгибную жесткость:

1 — повышение жесткости сооружения на изгиб; 2 — повышение жесткости в горизонтальном направлении; з — кривизна земной поверхности; F — трение; Е — давление грунта

Рис. 250.

Принципиальная схема частичной защиты сооружения, имеющего незначительную изгиб­ ную жесткость:

1 — сооружение с малой изгибной жесткостью; 2 — кривизна земной поверхности; Е — боковое давление; F — трение

сооружение может быть защищено только несущими элементами конструкции больших размеров. Таким образом, при полной защите предполагается, что со­ оружение должно иметь высокую изгибную жесткость, а для этого оно должно быть выполнено в виде башни, опирающейся на основание сравнительно не­ большой площади, или же в виде мостообразного сооружения, опирающегося на два фундамента повышенной жесткости. Оно может опираться также на че­ тыре (принцип жесткости) или на три (принцип податливости) точки, чтобы уменьшением площади опирания и соответственным повышением давления на грунт основания ослабить степень воздействия сдвижений грунта на соору­ жение. Силы, возникающие при подработке в горизонтальной плоскости, могут быть устранены по принципу податливости устройством швов скольже­ ния, Катковых опор или качающихся стоек.

Сооружения, имеющие малую изгибную жесткость, могут быть лишь частично защищены от воздействия подработки, так как для них не может быть применено опирание на точки или на основание малой площади, и все сооружение должно следовать за деформациями искривления земной поверх­

неизбежных изгибных деформациях стены (жесткость которых возрастает пропорционально третьей степени их высоты) и фундаменты должны быть рас­ считаны так, чтобы они имели известную податливость (рис. 250), в то время как возможность горизонтального смещения стен фундамента должна быть