книги / Основы механики горных пород

§77. ПРОГНОЗ ДЕФОРМАЦИИ

ВУСЛОВИЯХ АНОМАЛЬНЫХ ПРОЯВЛЕНИИ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ ПОРОД

Выше были рассмотрены параметры и характер разви­ тия деформаций преимущественно в типовых условиях разра­ ботки месторождений. Между тем в практике горных работ нередко встречаются существенно отличающиеся от типовых условия, для которых приведенные выше методы расчета дефор­ маций и параметры процесса сдвижения не подходят. К ним следует отнести прежде всего условия, при которых на земной поверхности имеют место сосредоточенные деформации в виде трещин, уступов и провалов. В этих случаях производные от кривых сдвижений и оседаний и функциональные связи между ними носят условный характер, так как прерывные функции дифференцировать и интегрировать нельзя. При расчете дефор­ маций в указанных условиях приходится применять некоторые искусственные приемы.

Сосредоточенные деформации возникают, как правило, при разработке свит крутопадающих пластов и синклинальных складок, при отработке мощных пластов на небольших глуби­ нах, при ведении горных работ вблизи геологических нарушений и слабых контактов по напластованию, при наличии в толще пород полостей карстового и другого происхождения.

Особенности расчета деформаций при разработке свит кру­ топадающих пластов и в условиях развития подвижек по на­ пластованию рассмотрены выше. Расчет деформаций при раз­ работке мощных пластов на небольших глубинах не имеет практического смысла, так как в этих условиях меры защиты сооружений сводятся обычно к оставлению предохранительных целиков, для построения которых достаточно знать углы сдви­ жения и обрушения.

Поэтому в настоящем параграфе ограничимся рассмотре­ нием специфики процесса сдвижения при отработке синкли­ нальных складок, при ведении горных работ вблизи геологиче­ ских нарушений и вблизи различных полостей в толще пород.

Многочисленными наблюдениями установлено, что в местах выхода на земную поверхность (или под наносы) плоскости сместителя или осевой плоскости синклинальной складки сред­ них размеров характер мульды сдвижения меняется. Часто в этих местах образуются уступы и трещины. На рис. 102 при­ ведены результаты инструментальных наблюдений за сдвиже­ нием земной поверхности в районе одной из таких складок. Как видно из рисунка, осевая плоскость складки как бы экранирует сдвижение горных пород, при этом на выходе осевой плоско­ сти на земную поверхность концентрируются все виды де­ формаций.

При мелкой складчатости в зону влияния горных работ по­ падает, как правило, вся складка и потому преобладающей фор­ мой сдвижения часто бывает сползание слоев в сторону выра­ ботанного пространства. В этом случае концентрация деформа­ ций имеет место не столько на выходе на земную поверхность осевой плоскости, сколько в местах выхода на поверхность сдви­ гающихся слоев пород.

При крупной складчатости размеры и форма мульды сдви­ жения мало отличаются от рассмотренных в предыдущих пара­ графах.

Таким образом, характер проявления сдвижения горных по­ род при синклинальном залегании пластов зависит (при прочих равных условиях) от форм и относительных размеров складок, от взаимного расположения горных работ и осевой плоскости складки. Поэтому методику расчета деформаций земной поверх­ ности при разработке пластов средней и малой мощности сле­ дует принимать в соответствии с приведенными ниже схемами в зависимости от перечисленных выше основных факторов и вида складок.

I. Крупная складчатость, т. е. такая, когда расстояние между выходами разрабатываемых пластов и осевой плоскости складки в десятки раз превышает длину мульды сдвижения. При такой складчатости расчет деформаций следует вести по общепринятой методике.

И. Средняя складчатость, т. е. такая, когда расстояние между выходами разрабатываемых пластов и осевой плоскости складки в несколько раз (от 1,5 до 10) превышает длину мульды сдвижения. В этом случае следует ‘различать три формы сдвижения.

1. Сдвижение в условиях, когда линия, проведенная от ниж­ ней границы выработки под углом Ро, не достигает осевой плос­ кости складки.

2.Сдвижение в условиях, когда линия, проведенная от сере­ дины выработки под углом 0, пересекает осевую плоскость складки или совмещается с ней.

3.Сдвижение в условиях, когда линия, проведенная под уг­ лом 0, не пересекает осевую плоскость, а линия, проведенная под углом Ро, ее пересекает.

В первом случае расчет деформаций ведут по общеприня­

той методике. Во втором случае, если за осевой плоскостью на­ правление падения пластов меняется на обратное, вместо угла Ро проводят за осевой плоскостью угол уо. а угол 0 совмещают с этой плоскостью. Как в первом, так и во втором случаях на участке выхода осевой плоскости на поверхность следует ожи­ дать появления уступа высотою 0,2 г^шах.

В третьем случае расчет деформаций состоит из двух эта­ пов. Вначале производят расчет по общепринятой методике,

как это делается при выдержанном залегании пород (линия 2 на рис. 102). Затем к той части мульды, которая расположена до выхода осевой плоскости, добавляют оставшуюся часть мульды, расположенную за выходом этой плоскости. Обе ча­ сти совмещают по вертикальной линии, проходящей через точку выхода осевой плоскости на поверхность, т. е. часть мульды, расположенную за осевой плоскостью, поворачивают на 180° Суммирование сдвижений и деформаций в указанных частях мульды производят в обычном порядке с учетом знака. В тех случаях, когда значение суммарного оседания получается

(или под наносы) следует ожидать появления прямого уступа высотой, равной значению оседания в этой точке мульды. По­ скольку понятие «осевая плоскость» в данном случае условно, так как нередко в сечении она представляет собой не линию, а зону, образование уступа возможно в любой точке этой зоны. Ширину и положение зоны следует определять по геологиче­ ским данным. При отсутствии таких данных ширину можно принимать равной 80 м, т. е. по 40 м в обе стороны от выхода осевой плоскости на поверхность.

Появление уступа сопровождается, как правило, образова­ нием одной или нескольких трещин. Суммарное раскрытие этих трещин равно расчетному горизонтальному сдвижению в точке выхода на земную поверхность (или под наносы) осевой плос­ кости.

Результаты расчета по изложенной методике показаны на рис. 102 линией <3.

III. Мелкая складчатость, т. е. такая, когда расстояние между выходами разрабатываемых пластов и осевой плоскости складки пластов соизмеримо с длиной мульды сдвижения (от­ ношение длины мульды сдвижения к указанному расстоянию не более 1,5). При такой складчатости в движение приходят все породы, заключенные между выходами разрабатываемого пласта и осевой плоскости складки. В тех случаях, когда рас­ стояние между выходами разрабатываемых пластов на проти­ воположных крыльях складки соизмеримо с длиной полумульды, в движение приходят все породы, находящиеся внутри этой складки. Этим и определяются границы мульды сдвиже­ ния.

Расчет деформаций в пределах мульды производят по ме­ тодике «Руководства» [125], но на выходах пластов и осевой плоскости складки следует определять высоту уступов. На вы­ ходах пластов высоту этих уступов определяют по методике вычисления сдвижений пород по напластованию. На выходе осевой плоскости складки высоту уступа следует принимать равной 0,2 Т]тах.

Рис. 113. Схема к расчету де­ формаций земной поверхности при отработке синклинальной складки с углами падения кры­ льев а ^30°.

В «Правилах охраны сооружений...» [108] методы расчета деформаций приводятся в зависимости от формы складок, уг­ лов падения ее крыльев и других геометрических параметров. Так, при отработке складок с углами падения пород обоих крыльев на выходах под наносы меньших 30° расчет ожидае­ мых сдвижений и деформаций рекомендуется производить как для выдержанного залегания пород. При отработке симмет­ ричных и асимметричных нормальных синклинальных складок

снаклонным и вертикальным положением осевой поверхности

иуглами падения крыльев а>30° расчет ожидаемых сдвиже­ ний и деформаций земной поверхности производится в два этапа. Вначале определяются оседания и горизонтальные сдви­ жения в характерных точках мульды сдвижения. Затем вычис­ ляются наклоны и горизонтальные деформации на участках мульды сдвижения между характерными точками. К числу ха­ рактерных относятся точки А, Б, В, Г, Е, И, L, О, показанные на рис. 113. Точки А и В определяют границы зоны изгиба

слоев со стороны нижней и верхней границ выработки, точка Б — границу зоны общего влияния очистной выработки со сто­ роны ее нижней границы, точка Г — выход пласта на отраба­ тываемом крыле под наносы, точки О (или Е) и L — местопо­ ложение максимального оседания земной поверхности, от из­ гиба слоев по нормали к напластованию цтиар и от сдвига по

напластованию пород отрабатываемого крыла т]псд, точка И —

местоположение максимального оседания земной поверхности при выдержанном залегании пород.

Положение точки О определяется пересечением осевой по­ верхности складки с земной поверхностью; оседание в этой точке рассчитывается в тех случаях, когда линия, проведенная из середины выработки под углом 0, пересекает осевую поверх­ ность складки; если эта линия не пересекает осевую поверх­ ность, то оседание г|тизг рассчитывается в точке Е, которая оп­

ределяется пересечением линии, проведенной из середины вы­ работки под углом 0С; угол 0Снаходится по формуле

где I — расстояние от точки О до точки пересечения с земной поверхностью линии, проведенной под углом 0 (точка Я); 0О— угол наклона к горизонту линии, соединяющей середину очист­ ной выработки с точкой пересечения земной поверхности осе­

проводится линия под углом до пересечения с земной поверх­ ностью.

Положение точки Б определяется пересечением линии, про­ веденной под углом 0 из точки Д, с земной поверхностью; ai — угол падения пород противолежащего крыла складки; если ai переменный, то он определяется как средний угол между углом

Точка В находится на пересечении линии, проведенной от верхней границы очистной выработки под углом уо, с земной поверхностью, при этом значение угла у0 принимается в зави­ симости от угла падения пласта a у верхней границы очистной выработки.

Точка L располагается на расстоянии от точки О, равной 0,4 отрезка ОБ; в тех случаях, когда максимальное оседание от изгиба Т1тп113г находится в точке Е, максимальное оседание от

сдвига т]тг1Сд также принимается в точке Е.

Оседания и горизонтальные сдвижения в характерных точ­

Значения функции S (е)сд

ные в характерных точках в определенном масштабе, соединя­ ются прямыми линиями.

Ожидаемые наклоны на участках мульды сдвижения между характерными точками вычисляются по отношению разности оседаний в этих точках к расстояниям между ними, а ожидае­ мые горизонтальные деформации — по отношению разности го­ ризонтальных сдвижений в этих точках к тем же расстояниям.

Расчетные наклоны и горизонтальные деформации на участ­ ках между характерными точками определяются последующим формулам:

равным 100 м, а при /<20 м равным 20 м; е — ожидаемое зна­ чение горизонтальных деформаций на рассматриваемом уча­ стке.

Ожидаемые и расчетные значения оседаний, наклонов, го­ ризонтальных сдвижений и деформаций от нескольких выра­ боток в пласте или в свите пластов находятся для условий складчатого залегания путем алгебраического суммирования сдвижения и деформаций, рассчитанных для каждой очистной выработки в отдельности.

Максимальная высота уступа определяется из выражения

Участок возможного появления уступа находится между точ­ ками А и L.

Аналогичные методики расчета сдвижений и деформаций по характерным точкам имеются для условий разработки асим­ метричных нормальных складок с углами падения пород од­ ного крыла а<30°, a другого крыла а >30° и для шарнирных складок. Поскольку эти методики принципиальных отличий от

Рис. 114. Деформации земной поверхности в районе тектонического нару­ шения.

валось выше, в местах выхода на поверхность (или под наносы) плоскости сместителя тектонического нарушения. Здесь появ­ ляются обычно такие же деформации, как и на выходе осевой плоскости синклинальной складки. На рис. 114 приведены ре­ зультаты инструментальных наблюдений за сдвижением зем­ ной поверхности в районе выхода на поверхность тектониче­ ского нарушения. На этом же рисунке штриховой линией по­ казаны результаты наблюдений в аналогичных условиях, но при отсутствии тектонического нарушения. Как видно из ри­ сунка, деформации в районе выхода на поверхность тектониче­ ского нарушения в несколько раз больше наблюдаемых в обыч­ ных условиях. Вместе с тем в результате концентрации дефор­ маций на выходе нарушения произошло существенное снижение деформаций в остальной части мульды сдвижения.

Значения коэффициентов концентрации деформаций на выходах тектонических нарушений

Методика расчета сдвижений и деформаций в зонах влия­ ния тектонических нарушений пока еще не разработана из-за большого многообразия этих нарушений и недостаточного ко­ личества инструментальных наблюдений в условиях их прояв­ ления. Поэтому значения расчетных деформаций на выходах нарушений определяются в настоящее время путем умножения ожидаемых деформаций, полученных обычным путем (методом типовых кривых и др.), на коэффициенты концентрации дефор­ мации, подобные коэффициентам перегрузки, рассмотренным в начале этой главы. Значения коэффициентов концентрации (перегрузки) в зависимости от углов падения плоскости сместителя, ширины зоны нарушенных пород и мощности наносов приведены в табл. 24.

При подработке полостей карстового происхождения, имею­ щихся в толще горных пород, или пустот, возникших в ре­ зультате отработки верхних пластов камерами, на земной по­ верхности нередко образуются воронки. Особенно часто они образуются при выпуске в горные выработки плывунов, зале­ гающих линзами на небольшой глубине. Такие явления наблю­ даются в Подмосковном бассейне, в Красноармейском районе Донбасса и на других месторождениях с аналогичными усло­ виями.

Образование воронок на земной поверхности характерно для подземного выщелачивания соляных пластов. При откачке соляного раствора (рапы) в г. Славянске образовалась система озер, покрывших значительную площадь соледобывающего рай­ она. Некоторые из этих озер образовались в течение суток. Глу­ бина их иногда достигает нескольких метров.

Известны случаи, когда сдвижение горных пород над очист­ ными выработками приводит к развитию оползневого процесса