книги / Основы механики горных пород

вынимаемой мощности пласта и пластичных вмещающих поро­ дах могут отсутствовать также и зона разломов и зоны трещин. В тех случаях, когда над пластичными слоями залегают хруп­ кие породы, зоны трещин могут получить развитие и над зоной плавного прогиба.

Существенное влияние на характер сдвижения горных пород и земной поверхности оказывает угол падения пластов (жил), мощность наносов или меловых отложений, несогласно зале­ гающих на коренных породах, число разрабатываемых пластов или жил и т. д. При разработке свит крутых и крутонаклонных пластов или жил преобладающим является прогиб пород в сто­ рону выработанного пространства и сдвиг слоев по контактам. При этом в зоне, расположенной ниже линии, проведенной под углом 0 (см. рис. 100), сдвиг происходит в результате прогиба слоев, а в зоне, расположенной выше этой линии, сдвиг проис­ ходит как в результате прогиба слоев, так и вследствие сполза­ ния пород по плоскостям ослабления (чем ближе к земной поверхности, тем больше преобладает сползание пород). Это явление получило название подвижек по напластованию. В об­ ласти, расположенной между зоной VI и земной поверхностью, основной формой деформирования массива является сдвиг по­ род по напластованию. Эта область составляет зону VII (см. рис. 100). При определенных условиях в сдвижение вовлека­ ются и породы лежачего бока. В этих случаях в зону VII вклю­ чается также область, расположенная между зоной VI и зем­ ной поверхностью. В результате сдвига слоев на земной поверх­ ности и в наносах образуются упомянутые выше трещины и уступы.

§ 66. ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ

Степень деформирования горных пород и земной по­ верхности, интенсивность развития и пределы распространения деформаций характеризуются некоторыми показателями, кото­ рые принято называть параметрами процесса сдвижения. Па­ раметры, характеризующие влияние горных работ на земную поверхность, используют при решении вопросов рациональной застройки горно-промышленных районов и вопросов отработки запасов полезных ископаемых под застроенными территориями и природными объектами.

Знание параметров, характеризующих сдвижение толщи по­ род, необходимо при проектировании и ведении горных работ вблизи вертикальных стволов шахт и околоствольных вырабо­ ток, обводненных пород и выбросоопасных зон, при определе­ нии оптимальных размеров лав и междулавных целиков, при выборе способа управления кровлей, мест расположения выра­ боток, порядка отработок сближенных пластов и т. д.

К основным параметрам процесса сдвижения земной поверх­ ности относят: углы, определяющие размеры и местоположение мульды сдвижения и ее характерных зон; значения максималь­ ных сдвижений и деформаций; общую продолжительность про­ цесса сдвижения и период опасных деформаций.

В настоящее время вопросы определения параметров про­ цесса сдвижения выполняются по единым требованиям и мето­ дикам, базирующимся на опыте наиболее изученных месторож­ дений. Одним из таких месторождений является Донецкий угольный бассейн, в котором систематические инструменталь­ ные наблюдения за сдвижением горных пород и земной поверх­ ности ведут более 50 лет. При этом накоплен самый большой в СССР опыт ведения горных работ под зданиями и сооруже­ ниями и впервые создан нормативный документ, регламенти­ рующий вопросы застройки подрабатываемых территорий.

Р а з м е р ы и м е с т о п о л о ж е н и е м у л ь д ы с д в и ж е ­ н и я определяются граничными углами *б0» Ро и у0, углами пол­ ных сдвижений фь фг и фз и углом максимального оседания 0. Граничные углы бо и уо зависят главным образом от механиче­ ских свойств горных пород (чем породы прочнее, тем круче эти углы) и при первичной подработке толщи меняются в пределах от 5001 (Ангренское угольное месторождение) до 75° (Донецкий бассейн). При повторных подработках толщи эти углы обычно выполаживаются. Так, в Карагандинском угольном бассейне угол бо выполаживается с 60 до 55°, в Кузнецком — с 70 до 60°, а в особо неблагоприятных случаях — до 50° В Донецком бас­ сейне повторная подработка толщи пород вызывает уменьшение угла уо на 0,2 а, где а — угол падения пластов.

Угол ро является в основном функцией углов бо и а. При уг­ лах падения пластов до 70° его можно выразить зависимостью

Коэффициент Ср„ зависит от свойств горных пород, степени подработанности толщи, структурных и других особенностей массива. Его устанавливают опытным путем. Значения коэффи­ циентов Ср„ в главнейших угольных бассейнах СССР приведены в табл. 12. В Кузнецком бассейне угол Ро определяют из выра­ жения

Минимальное значение угла р0 в неподработанной ранее толще на большинстве месторождений равно 25°', в подработан­ ной ранее толще 20°. Значение угла полных сдвижений в на­ правлении простирания пластов ф3> а при горизонтальном зале­ гании во всех направлениях колеблется в пределах от 50 (Кизеловский и Кузнецкий бассейны) до 60° (Челябинский бас-

Значения коэффициентов Ср0 для определения граничного угла (50

в каком месте находится рассматриваемая очистная выработка по отношению к старым горным работам. Если прежние работы

Значения коэффициента С0 колеблются от 0,5 до 1,0 (чем прочнее породы, тем больше С9 при прочих равных условиях).

Для определения значения м а к с и м а л ь н о г о о с е д а н и я предложено несколько формул различного вида. Наибольшее распространение для условий первичной подработки толщи по­ лучила формула

где т — нормальная мощность пласта; a — угол падения;

</о — относительное максимальное оседание при полной под­ работке (отклонение полного вектора сдвижений к вынимаемой мощности пласта) колеблется в пределах от 0,5 до 0,9 (чем прочнее породы, тем меньше q0) ; t\ и t2— коэффициенты, учи­ тывающие влияние размеров выработки и глубины разработки на значение максимального оседания.

Коэффициенты t\ и t2 определяются обычно по формулам

где D\ и Z>2 — размер очистной выработки соответственно по па­ дению и простиранию пласта; Я — средняя глубина разработки; а — коэффициент, зависящий от свойств горных пород; колеб­ лется в пределах от 0,2 до 0,4 (чем прочнее породы, тем больше коэффициент а).

При повторных подработках с углом падения пластов от 0 до 25° максимальное оседание определяют по формуле

Если Н \/Н > \, то в формуле (215) это отношение принимают равным 1.

При повторных подработках с углом падения пластов от 26

Во всех формулах значения t\ и t2 не должны быть больше 1 и меньше 0,04.

Предложено несколько видов формул для определения м а к ­

где Сц — коэффициент, который определяют для каждого ме­ сторождения путем натурных наблюдений. При отсутствии та­ ких наблюдений его приближенное значение можно получить по формуле

С/2 — коэффициент, значение которого определяют по данным натурных наблюдений. Он колеблется обычно в небольших пре­ делах (от 2,0 до 2,3).

Формул такого вида несколько. Наибольшее распростране­ ние из них получила формула [130]

где b в полумульде по восстанию пласта равно Hjx\max, а в полумульде по падению пласта равно Н/ (rima* cos а); С,-з — коэф­ фициент, зависящий от свойств горных пород, колеблется от

для каждого месторождения; колеблется в пределах от 2 до 4; причем четкой зависимости его от каких-либо факторов пока не установлено, однако замечено, что с увеличением глубины его значение растет.

Если коэффициент р имеет отрицательное значение, то при расчетах его значение принимают равным нулю. Более поздние исследования показали, что связь коэффициента р с углом па­ дения пласта и мощностью наносов полнее отражается зависи­

где Н — глубина горных работ.

Эта зависимость включена в нормативные документы [125]. Для определения м а к с и м а л ь н ы х г о р и з о н т а л ь н ы х

интерес представляют те факторы, изменение которых подвла­ стно воле человека. Так, путем изменения скорости подвигания забоя можно ускорить или замедлить процесс сдвижения, путем изменения способа управления горным давлением увеличить или уменьшить деформации и т. д. Факторы, поддающиеся измене­ нию по воле человека, назовем регулируемыми.

Геометрические элементы залегания пластов и другие фак­ торы, изменить которые искусственным путем невозможно, це­ лесообразно называть заданными факторами. Рассмотрим каж­

п л а с т а ( з а л е ж и ) и с п о с о б у п р а в л е н и я г о р н ы м д а в л е н и е м относятся к числу основных факторов, опреде­ ляющих высоту распространения зон сдвижения и деформаций горных пород и земной поверхности, поскольку посредством этих факторов регулируют осадку кровли. Установлено, что максимальные значения оседаний, деформаций и скоростей сдвижения находятся в прямой пропорциональной зависимости от вынимаемой мощности пласта (залежи). Угловые пара­ метры, за исключением углов сдвижения, от вынимаемой мощ­ ности практически не зависят. При увеличении вынимаемой мощности углы сдвижения несколько выполаживаются.

Уменьшение вынимаемой мощности достигается путем не­ полной выемки (оставление отдельных прослойков и пачек) или путем закладки выработанного пространства породой, достав­

ляемой извне.

Частичная закладка, осуществляемая породой из слоев кровли или почвы пласта на разрабатываемом участке, при глу­ бинах разработки свыше 100 м существенного влияния на де­ формации не оказывает. При глубинах менее 100 м значения оседаний и деформаций при частичной закладке породой из бу­ товых штреков на 10—12 % меньше, чем при управлении гор­

относительные деформации. В условиях полной подработки из­ менение размеров выработанного пространства не оказывает влияния ни на значения сдвижения и деформаций, ни на харак­ тер процесса сдвижения. Существенного влияния размеров вы­ работанного пространства на угловые параметры процесса сдви­ жения не замечено.

Ц е л и к и в в ы р а б о т а н н о м п р о с т р а н с т в е заметно влияют на распределение деформаций в мульде сдвижения. При удачном соотношении целиков и камер деформации горных пород могут не проявиться на земной поверхности, и наоборот, при неудачном соотношении над целиками происходит концен­

трация деформаций. В толще горных пород целики вызывают местные повышения напряжений.

С к о р о с т ь п о д в и г а н и я о ч и с т н о й в ы р а б о т к и в значительной мере определяет продолжительность и интенсив­ ность процесса сдвижения. Изменяя скорость подвигания, можно регулировать сроки и продолжительность отдельных ста­ дий процесса сдвижения, что существенно при подработке объ­ ектов, в эксплуатации которых имеются перерывы. Особенно важно знать продолжительность и скорость процесса сдвиже­ ния при установлении сроков и частоты ремонта подрабатывае­

положение выработок существенно влияют на параметры и ха­ рактер процесса сдвижения. Первая очистная выработка изме­ няет напряженное состояние толщи горных пород, вызывает образование в ней зон повышенного и пониженного давления, секущих трещим и полостей расслоения. В' зависимости от того, в какие зоны попадают последующие очистные выработки, уг­ ловые параметры могут быть круче или положе, значения де­ формаций больше или меньше обычных и т. д. При располо­ жении границ выработок в свите пластов примерно в одной вертикальной плоскости края мульды сдвижения получаются наиболее крутыми с максимальным развитием деформаций. Чем больше смещены границы выработок, тем положе края мульды сдвижения и меньше деформации. При определенном взаимном расположении очистных выработок на отдельных участках может происходить компенсация растяжений, вызванных одной

ным и т. д.

Разрыв во времени между отработкой пластов определяет интенсивность процесса сдвижения: чем меньше этот разрыв, тем более бурно протекает процесс.

Заданные факторы. Угол п а д е н и я п о р о д является одним из основных факторов, определяющих угловые пара­ метры процесса сдвижения и распределения деформаций в мульде. Чем больше угол падения пород, тем положе углы р, ро и 0. При достаточно крутых углах падения происходит спол­ зание пород лежачего бока и резкое выполаживание угла у (в этом случае мульда сдвижения со стороны восстания пласта ограничивается углом у')- С увеличением угла падения пластов возрастает отношение горизонтальных сдвижений к вертикаль­ ным. Так, если при пологом залегании пластов горизонтальная составляющая сдвижения обычно не превышает половины вер­ тикальной, то при угле падения 45° они равны, а при падении под углом 65° горизонтальная составляющая почти в 2 раза больше вертикальной. При небольших углах падения пластов

(до 5°) мульда сдвижения симметрична относительно плоско­ сти, проведенной через точку максимального оседания парал­ лельно простиранию пластов. По мере увеличения угла паде­

ности. При углах падения свыше 70° симметричность начинает постепенно восстанавливаться и при угле 90° мульда сдвижения снова имеет симметричный вид.

Г л у б и н а г о р н ы х р а б о т оказывает существенное влия­ ние на деформации земной поверхности, характер и степень проявления горного давления в толще. С увеличением глубины разработки все виды деформаций земной поверхности умень­ шаются. Особенно чувствительна к этому фактору кривизна сглаженной мульды сдвижения: она обратно пропорциональна квадрату глубины разработки. Горное давление, наоборот, с уве­ личением глубины разработки повышается, концентрация де­ формаций и напряжений на отдельных участках становится более опасной. Размеры зоны повышенного (опорного) давле­ ния пропорциональны при прочих равных условиях глубине раз­ работки.

М е х а н и ч е с к и е с в о й с т в а и с т р у к т у р н ы е о с о ­ б е н н о с т и г о р н ы х п о р о д оказывают влияние на все параметры и показатели процесса сдвижения. Наиболее тесная зависимость от этого фактора прослеживается в значениях уг­ лов сдвижения Ô, полученных при различных свойствах горных пород. На основании указанной зависимости проф. Д. А. Казаковский составил классификацию месторождений, используя прочностные свойства пород в качестве одного из определяю­ щих признаков [56]. На этом же принципе построены некоторые разделы общих правил охраны сооружений от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторожде­ ниях [108].

Существенное влияние на характер деформаций земной по­ верхности оказывает соотношение пород толщи. Так, при содер­ жании в толще угленосных пород песчаников, конгломератов и известняков более 30 % группу, к которой необходимо отне­ сти месторождение согласно «Правилам охраны» [108], повы­ шают на одну единицу, что равнозначно повышению прочности

важным фактором, от которого зависят как значения деформа­ ций, так и характер их распределения в мульде сдвижения. Нарушенность в массиве возникает под влиянием геологических и техногенных процессов. Так, при попадании природной (потен­ циальной) поверхности ослабления в зону растяжений, вызван­ ных влиянием горных работ, образуется тектонико-техногенная