книги / Основы механики горных пород

Формулы (362), (363) выведены для нисходящего порядка отработки, т. е. когда известно положение очистной выработки

вверхнем пласте и необходимо определить оптимальное поло­ жение выработки в нижнем пласте. При восходящей отра­ ботке пластов формулы для определения оптимальных гори­ зонтальных расстояний между границами очистных выработок

всоседних пластах имеют такой вид (вывод формул аналоги­ чен предыдущему) :

Значения коэффициентов С3 и С4 также приведены в нор­ мативных документах в форме таблиц.

При отработке свит крутопадающих пластов, вскрываемых вертикальными стволами й квершлагами, расстояние между пластами, при котором не будет существенного однозначного наложения деформаций, вычисляют из выражения

случаем формул (360) и (366), для чего достаточно подставить в них значение h= L sin а и преобразовать их.

Степень деформирования подрабатываемых объектов зави­ сит не только от взаимного расположения горных выработок в пространстве, но и от развития горных работ во времени.

Так, при компенсации деформаций необходим минимальный разрыв во времени между отработкой пластов, чтобы не допу­ стить появления опасных деформаций до их компенсации. При отработке пластов по способу, при котором не происходит су­ щественного однозначного суммирования деформаций, разрыв во времени между отработкой пластов имеет второстепенное значение. При раздельной отработке пластов, когда возможно однозначное наложение деформаций, разрыв во времени между отработкой пластов должен быть не менее общей продолжи­ тельности процесса. Такой разрыв необходим для того, чтобы перед последующей подработкой снять напряжения, возникшие

от предыдущей подработки (преимущественно в стальных тру­ бопроводах), или устранить появившиеся в объектах дефор­ мации.

§ 87. ПОДРАБОТКА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Проблема разработки месторождений полезных иско­

тами, в том числе под морями и океанами, с другой— интен­ сивным строительством ирригационных сетей, каналов, водо­ хранилищ, прудов, шламонакопителей и других подобных со­ оружений.

При решении задачи отработки месторождений под вод­ ными объектами рассматривают обычно два вопроса:

1) предотвращение опасных поступлений воды в горные вы­ работки;

2) обеспечение сохранности и нормальной эксплуатации подрабатываемого объекта.

Наиболее сложен и ответствен первый вопрос, так как он связан с безопасностью работ в шахтах и рудниках. Условия ведения горных работ под водными объектами, расположен­ ными на земной поверхности, регламентируются законодатель­ ными актами, каковыми в СССР являются «Правила охраны сооружений и природных объектов» или «Указания по ох­ ране. ..», а под водными объектами, расположенными в толще пород,— «Правила безопасности».

По действующим «Правилам» и «Указаниям» ведение горных работ под водными объектами регламентируется зна­ чениями так называемой безопасной глубины, понятие которой широко используется в механике горных пород. Под безопас­ ной глубиной разработки под водными объектами понимается минимальная глубина, при которой зона водопроводящих тре­ щин, образующаяся над выработанным пространством, не до­ стигает нижней границы водного объекта, т. е. не создается ус­ ловий для прорыва воды и затопления горных выработок.

Безопасную глубину горных работ под водными объектами следует определять из выражения

где Кб — коэффициент безопасности, выбираемый из соответст­ вующих таблиц «Правил» или «Указаний» в зависимости от состава и свойств горных пород, угла падения пластов, значе­ ния и размеров водного объекта; т — вынимаемая мощность пласта.

Значения коэффициентов Кб, приведенные в «Правилах» и «Указаниях», установлены преимущественно опытным путем и колеблются в весьма широких пределах, что объясняется спе­ цификой месторождений, особенностями состава, структуры, степенью развития трещиноватости толщи пород, разными воз­ можностями водоотлива, результатами и последствиями имею­ щихся в бассейне случаев подработки, неодинаковой обеспечен­ ностью запасами и рядом других, подчас субъективных, при­ чин. В связи с этим предпринимали и продолжают (особенно успешно в последние годы) попытки обобщить результаты под­ работки и создать единую, объективную методику определения безопасных условий выемки полезных ископаемых под вод­ ными объектами.

Перспективным является предложение принять в качестве основного критерия допустимости подработки водных объектов наличие или отсутствие гидравлической связи этих объектов с подземными водами коренных пород. Принимая этот крите­ рий за основу, авторы работы [16] подразделяют все водные объекты на две группы:

1)объекты на водоупорном основании;

2)объекты на водопроводящем основании.

Кобъектам первой группы отнесены: водотоки и водоемы на земной поверхности, повсеместно отделенные от коренных пород глинистыми наносами (глинами и суглинками) или при

отсутствии последних коренными породами, близкими по физи­ ко-механическим свойствам к глинистым наносам; обводнен­ ные породы, залегающие согласно с разрабатываемыми пла­ стами и отделенные от них водоупорными слоями; обводненные депрессии, выполненные плывунами, песками или гравийно-га- лечниковыми отложениями при повсеместном наличии глин в основании.

Во вторую группу входят водоемы и водотоки, расположен­ ные на поверхности коренных пород, обводненные породы и трещиноватые зоны, залегающие несогласно с разрабатывае­ мыми пластами, а также русла, заливаемые поймы и обводнен­ ные песчано-галичииковые отложения долин рек, под кото­ рыми полностью или частично отсутствуют глинистые наносы или породы, аналогичные им по физико-механическим свой­ ствам.

Приведенная классификация с некоторыми уточнениями ис­ пользована в «Правилах охраны сооружений и природных объ­ ектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях» [108] при определении критериев и оптимальных условий выемки угля под водными объектами. Согласно «Правилам» к первой группе отнесены не все водо­ токи, водоемы и обводненные породы, подстилаемые глинами или суглинками, а лишь те из них, у которых мощность подсти­

лаемых глин (суглинков) не менее глубины водотока (водо­ ема) или напора воды над почвой водоносного горизонта.

Подработка водного объекта, относящегося к первой группе, за пределами зоны опасного влияния не приводит к существен­ ному увеличению притока воды в горные выработки. При под­ работке водного объекта, относящегося ко второй группе, за пределами той же зоны гарантируется предотвращение внезап­ ных прорывов воды и затопления шахты, но не исключается возможность постепенного нарастания притока за счет филь­ трации по водоносным горизонтам, получающим питание на выходах под водный объект. Иногда такие притоки по мере развития горных работ могут быть значительными.

В упомянутых выше «Правилах» безопасную глубину раз­ работки для каждой из указанных групп определяют в зависи­ мости от мощности разрабатываемых пластов т и водоупорных пород hr. Для водных объектов первой группы при мощности водоупорных слоев, равной или более удвоенной вынимаемой мощности пласта, значения безопасной глубины разработки приведены в табл. 30, а для остальных объектов обеих групп в табл. 31. Отсчитывается безопасная глубина от нижней гра­ ницы водного объекта по вертикали, за исключением обводнен­ ных пород, залегающих согласно с разрабатываемыми пла­ стами, когда она отсчитывается по нормали к напластованию.

Значения безопасной глубины в табл. 29 и 30 приведены для типовых условий разработки угольных месторождении и, естественно, не отражают всего многообразия условий, встре­ чающихся на практике. Поэтому безопасную глубину разра­ ботки под водным объектом для конкретных горно-геологиче­ ских условий рекомендуется уточнять путем проведения специ­ альных гидрогеологических наблюдений за водопроницае­ мостью горных пород до и после подработки на опытном уча­ стке шахтного поля, расположенном за пределами зоны опас­ ного влияния водного объекта, но максимально приближенном к этой зоне.

Зоной опасного влияния водного объекта считают участок, выемка полезного ископаемого в пределах которого может по­ влечь за собой недопустимое увеличение притока воды в гор­ ные выработки, а в определенных условиях — прорыв воды и затопление выработок.

Границы зоны опасного влияния строят от границ водного объекта по углам разрывов 0", р", у"

Углы разрывов — внешние относительно выработанного про­ странства углы, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения горизонтальными ли­ ниями и линиями, соединяющими границу выработки с наибо­ лее удаленной от центра мульды сдвижения трещиной. Углы разрывов обычно на 5— 10° круче углов сдвижения, но не круче

Таблица 30

90°. Нижней границей зоны опасного влияния водного объекта является горизонт безопасной глубины.

Для определения высоты водопроводящих трещин приме­ няют гидрогеологические методы, основанные на наблюдениях за изменениями порового давления и напоров воды в обводнен­ ных слоях пород, на измерении и сравнении удельных водопоглощений в слоях пород до и после подработки.

Характер и интенсивность притоков воды в горные выра­ ботки можно определять также на основании расчетов зон де­ формирования, в которые попадают водные объекты. Методика этих расчетов приведена в гл. 14. При попадании водного

объекта в зоны 1 и II (рис. 100) происходит катастрофический прорыв воды с полным затоплением горных выработок. Если водный объект попадает в зону III, то происходит интенсивное увеличение притока воды в горные выработки, при этом сте­ пень интенсивности притока находится в обратной зависимо­ сти от соотношения М/т, где М — расстояние от кровли выра­ ботки до почвы водного объекта. В случае попадания водного объекта в зону IV существенного увеличения притока воды в горные выработки, как правило, не происходит. Небольшой дополнительный приток наблюдается иногда из-за повышения водопроницаемости массива за счет разуплотнения горных по­ род. Из водных объектов, расположенных в зоне V, вода в гор­ ные выработки не поступает.

Учитывая недостаточное совершенство существующих спо­ собов определения условий безопасной выемки полезных иско­ паемых под водными объектами, вопросы подработки этих объ­ ектов обычно решают путем использования и сопоставления различных расчетных методов и местного опыта. Особое вни­ мание уделяют при этом тампонажу скважин, старых стволов и шурфов, а также уточнению местоположения тектонических нарушений и их изоляции.

При таком подходе подработка водных объектов проходит, как правило, благополучно. За последние десятилетия извле­ чены многие миллионы тонн угля под такими относительно крупными реками в СССР, как Воркута и Аяч-Яга в Печор­ ском бассейне, Челы и Большая Анжера в Кузнецком бассейне, Виашер и Сухой Кизел в Кизеловском бассейне, Северский До­ нец и Нижняя Крынка в Донбассе, Западный Буг и Рата во Львовско-Волынском бассейне, Цаки-Квара и Маки-Квара на Ткварчельском месторождении и др. Под морским дном ведут работы в Великобритании, Канаде, Чили, Японии и др. Вместе с тем опыт показывает, что малейшие упущения в вопросах ве­ дения горных работ под водными объектами влекут за собой иногда весьма тяжелые последствия.

Для предотвращения опасных поступлений воды в горные выработки применяют различные профилактические мероприя­ тия как на земной поверхности, так и в шахте. В тех случаях, когда водные объекты имеют ограниченный расход или запас воды, бывает целесообразно отвести их или перекачать из них воду за пределы влияния горных работ. Воду в небольших ручьях и балках с водотоком пропускают иногда по специаль­ ным лоткам или трубам. Появляющиеся трещины тщательно тампонируют.

В качестве горных мероприятий применяют различные спо­ собы закладки выработанного пространства, камерно-столбо­ вую систему разработки, гармоническую отработку пластов и другие меры, изложенные в предыдущих параграфах.

эксплуатации. Более эффективны меры, осуществляемые в пе­ риод строительства. Выполнять их в этот период также несрав­ ненно проще. Однако вкладывать средства в мероприятия, ко­ торые окупятся через много лет, не всегда бывает выгодно. В ряде случаев выгоднее провести ремонтно-восстановительные работы или применить более дорогие мероприятия в период экс­ плуатации сооружения, чем вводить их заранее. Поэтому при строительстве сооружений, подработку которых намечают че­ рез 20 лет и более, применять полный комплекс мероприятий обычно не рекомендуется.

Вопросы строительства сооружений на подрабатываемых территориях, в том числе и условия применения конструктив­ ных мероприятий, регламентированы в СССР специальными нормативными документами [108, 125J.

Здания проектируют по жесткой, податливой и смешанной конструктивным схемам. При проектировании по жесткой схеме

смогут сопротивляться деформациям земной поверхности. Про­ ектирование по податливой схеме имеет целью придать зданию определенную гибкость с таким расчетом, чтобы оно вписыва­ лось в мульду сдвижения и при этом в несущих конструкциях не возникало опасных напряжений. Гибкость зданий создают путем применения специальных шарнирных вставок и связей, нежестких междуэтажных поясов, широких проемов и пр. Для защиты таких зданий от горизонтальных деформаций земной поверхности между наземной и подземной частью создают обычно шов скольжения. При применении принципа податливо­ сти предусматривают меры по обеспечению пространственной устойчивости каждого отсека здания. При проектировании по смешанной конструктивной схеме применяют различное сочета­ ние жесткой и податливой схем. Например, подземную часть принимают податливой, а наземную — жесткой и т. д.

Наиболее эффективным и широко применяемым мероприя­ тием для защиты жилых и производственных зданий, ряда гид­ ротехнических и других сооружений от вертикальных и гори­ зонтальных деформаций основания является разрезка их на секции прямоугольной формы в плане путем устройства дефор­ мационных швов, которые устраиваются во всех несущих и ог­ раждающих конструкциях. Ширина деформационного шва бш

где Lo— расстояние между центральными осями смежных сек­ ций; Н — высота здания или сооружения, равная расстоянию от подошвы фундамента до карниза или конька; г — относи­ тельные деформации сжатия вследствие подработки; б — рас­ четный крен секций, определяемый по формулам

грузки и условий работы, приведенные в «Правилах».

При проектировании трубчатых водосбросов, прокладывае­ мых в бетонных или железобетонных галереях, ширину шва бш.г между отдельными секциями назначают исходя из ус­ ловия

где А{, — диаметр фланца галереи.

Для уменьшения вредного влияния горных работ на техно­ логическое оборудование применяют следующие конструктив­ ные мероприятия: разрезку на отдельные блоки и устройство упругих связей между этими блоками и агрегатами, а также гибких передач между двигателями и машинами; установку оборудования на домкратах и других устройствах, позволяю­ щих регулировать его положение при подработке; создание шарнирно-подвижных опор и увеличение опорных плоскостей.

При проектировании трубопроводов различного назначения (газо-, водопроводов, канализации) в качестве мер защиты ис­ пользуют: засыпку трубопроводов грунтом, плохо сцепляю­ щимся с трубопроводом (наиболее часто применяют песок или другие материалы, близкие по свойствам к песку); устройство на поверхности трубопровода изоляции, уменьшающей корро­ зию металлических труб и снижающей сцепление с грунтом; создание равнопрочных стыков; установку сальниковых, П-об- разных и других компенсаторов. Эффективным средством за­ щиты является укладка трубопроводов на поверхности земли на опорах различной конструкции. Это мероприятие было при­ менено, в частности, при строительстве канала Северный Д о­ нец— Донбасс, трасса которого проходит над горными выра­ ботками, в связи с чем часть его пропущена по трубам боль­ шого диаметра, уложенным на поверхности на специальных опорах, обеспечивающих возможность выравнивания и рих­ товки трубопровода.

В отдельных случаях, чтобы избежать защемления труб грунтом, укладку трубопроводов (за исключением газопрово­ дов) производят в каналах, выполняемых из сборных элемен­ тов небольшой длины, обладающих определенной гибкостью и подвижностью за счет компенсационных возможностей соеди­ нения стыков.

При прокладке над горными выработками линий канализа­ ции трубопроводам задают избыточный уклон с таким расче­ том, чтобы самотечность канализации сохранялась и после ее подработки. В этом случае уклон iy, который должен иметь трубопровод при укладке, определяют из выражения

iy = At, (378)

где /д— минимально допустимый уклон, обеспечивающий само­ течное движение жидкости и ила в период и после подработки;

пластов, когда на земной поверхности образуются уступы, в ме­ стах пересечения линий канализации уступами целесообразно сооружать специальные колодцы. Для лучшей сохранности ко­ лодцев их следует располагать не непосредственно на уступах, а на расстоянии 0,5— 1,0 м от них. Трубы в колодцах должны иметь перепад, равный ожидаемой высоте уступа, а конструк­ ция колодца должна обеспечивать возможность подвижки труб в колодце на высоту перепада (рис. 130, штриховые линии). При таком устройстве колодцев трубы после подработок зай­ мут положение, обеспечивающее нормальный ток жидкости.

Для эксплуатируемых зданий, построенных без специаль­ ных конструктивных мероприятий, применяют следующие меры защиты: разделение зданий на секции путем создания дефор­ мационных швов, как было указано выше; усиление зданий тя­ жами, установленными на одном или нескольких уровнях по периметру стен; установка зданий на домкраты с подведением металлических или железобетонных обвязочных балок под на­ ружные и внутренние стены; отрывка вокруг зданий компенса­ ционных траншей, концентрирующих в себе основные виды де­ формаций с целью разрядки напряжений в зданиях; устройство железобетонных плит и поясов по грунту или на уровне пере­ крытия над подвалом; подведение железобетонных фундамен­ тов; укрепление отдельно стоящих колонн и т. д.

Защиту эксплуатируемых напорных трубопроводов (газо-, водо-, продуктопроводов и др.) осуществляют: вскрытием их с целью освобождения от защемления грунтом; усилением свар­ ных стыков наваркой цилиндрических муфт, разгрузкой трубо­ проводов от напряжений посредством разрезки их автогеном и