20.2. Параметры процесса сдвижения.

Степень деформирования горных пород и земной поверхности, интенсивность развития и пределы распространения деформаций и сдвижений характеризуются показателями, которые принято называть параметрами процесса сдвижения.

К основным параметрам процесса сдвижения земной поверхности относят:

- углы, определяющие размеры и местоположение мульды сдвижения и ее характерных зон;

- значения максимальных сдвижений и деформаций;

- общую продолжительность процесса сдвижения и период опасных деформаций.

Размеры и местоположение мульды сдвижения определяются граничными углами d_o, b_o и g_о, углами полных сдвижений y₁, y₂ и y₃ и углом максимального оседания q.

Граничные углы d_o и g_о зависят главным образом от механических свойств горных пород (чем породы прочнее, тем круче эти углы) и при первичной подработке толщи меняются в пределах от 50⁰ (Ангренское угольное месторождение) до 75° (Донецкий бассейн). При повторных подработках толщи эти углы обычно выполаживаются. Так, в Карагандинском угольном бассейне угол d_o выполаживается с 60 до 55⁰, в Кузнецком — с 70 до 60°, а в особо неблагоприятных случаях — до 50°. В Донецком бассейне повторная подработка толщи пород вызывает уменьшение угла g_о на 0,2 a, где a — угол падения пластов.

Угол bo является в основном функцией углов d₀ и a.

Минимальное значение угла b_o в неподработанной ранее толще на большинстве месторождений равно 25°, в подработанной ранее толще - 20°. Значение угла полных сдвижений в направлении простирания пластов y₃, а при горизонтальном залегании во всех направлениях, колеблется в пределах от 50 (Кизеловский и Кузнецкий бассейны) до 60° (Челябинский бассейн). В Донецком, Карагандинском и Львовско-Волынском бассейнах y₃ = 55°.

Углы y₁ и y₂ зависят от углов падения пластов и от того, в каком месте находится рассматриваемая очистная выработка по отношению к более ранним горным работам.

Общая продолжительность процессов сдвижения зависит от глубины горных работ, скорости подвигания очистного забоя, механических свойств, литологических и других особенностей массива горных пород.

Продолжительность процесса сдвижения в большинстве случаев определяют опытным путём и приводят в действующих нормативных документах в виде таблиц, составленных для типовых условий разработки конкретных месторождений.

Период опасных деформаций t_oп также устанавливают опытным путем или определяют из выражения

t_oп = р Т_общ, (20.1)

где р = 0 ¸ 0.9 — коэффициент, зависящий от значения ожидаемого максимального оседания земной поверхности h_max и угла падения пластов a.

20.3. Особенности развития процесса сдвижения для различных типов месторождений.

Характер и параметры процесса сдвижения в значительной мере определяются строением и свойствами массивов пород. С этой точки зрения все массивы месторождений можно разделить на два основных класса:

- массивы слоистого строения;

- массивы неслоистого строения.

К первому классу относятся все угольные и сланцевые месторождения и более 60% рудных месторождений.

В свою очередь, в зависимости от форм залегания и угла падения слоев, в этом классе выделяется четыре группы месторождений:

• с горизонтальным и пологим залеганием;

• с наклонным и крутым залеганием;

• со складчатым залеганием;

• с несогласным залеганием.

Для первого класса месторождений процесс сдвижения изучен наиболее полно и в самом общем случае вокруг выработанного пространства может быть выделено несколько зон с различным характером процессов сдвижения и деформирования пород (рис. 20.2).

Рис. 20.2. Схема сдвижения горных пород при разработке пластовых место-рождении.

Зоны: I—обрушения; II и VII—разломов; III и IX—активных трещин; IV и Х— локальных трещин; V и XI — плавного прогиба; VI и VIII — опорного давления; XII и XIIa — сдвига пород по напластованию.

Над очистной выработкой располагается зона I, где породы разделены на отдельные куски и мелкие блоки. Она обычно носит название зоны обрушения.

Основной особенностью развития процессов сдвижения в условиях месторождений со слоистым строением пород является то, что за пределами зоны обрушения сдвижение пород висячего бока происходит в форме последовательного расслоения и прогиба пород в сторону выработанного пространства, а также сдвига их по плоскостям расслоения.

Непосредственно к зоне обрушения прилегает зона II, которая характеризуется развитием в прогибающихся слоях нормально секущих трещин и трещин расслоения, разбивающих массив на крупные блоки (рис. 20.3) и образующих систему сквозных водо- и газопроводящих каналов с малым аэродинамическим сопротивлением, практически не оказывающим влияния на прохождение по каналам растворов и газов. Эту зону называют зоной разломов.

Далее в массиве выделяется зона III, в пределах которой секущие трещины, идущие от верхней и нижней поверхностей изгибающегося слоя, достигают трещин расслоения и создают систему водо- и газопроводящих трещин со значительным аэродинамическим сопротивлением, увеличивающимся пропорционально удалению их от разрабатываемого пласта. Зону III называют зоной активных трещин.

Рис. 20.3. Образование и развитие трещин в слоистом массиве.

1 — секущие трещины; 2 — трещины расслоения.

В зоне IV деформации растяжения, вызванные изгибом слоя, достигают критических значений. Чем ближе слой расположен к горным работам, тем глубже распространяются в нем критические деформации и тем больший объем пород разрушается. Одновременно под влиянием касательных напряжений, вызванных изгибом слоя, в нем появляются деформации сдвига и зарождаются трещины расслоения. Но поскольку протяженность этих трещин и глубина секущих трещин в четвертой зоне невелики, сквозной водо- и газопроводящей системы трещин в этой зоне не образуется. Зона IV называется зоной локальных трещин.

Зона V характеризуется прогибом пород без разрыва их сплошности. Она называется зоной плавного прогиба.

Зона VI отличается повышенными по сравнению с остальным массивом напряжениями и деформациями сжатия в вертикальном направлении. В общем случае она состоит из двух частей и находится над целиками (или массивом), примыкающими к выработанному пространству, носит название зоны опорного давления.

Перечисленные шесть зон находятся в подработанной толще пород. В надработанной толще выделяется пять зон (зона обрушения отсутствует), при этом зоны VII, VIII, IX и XI по своим качественным характеристикам соответствуют зонам III, IV, V и VI подработанной толщи, но все зоны, образующиеся в надработанной толще, расположены ближе к разрабатываемому пласту, чем в подработанной. При определенных углах падения пород происходит сползание слоев (преимущественно по плоскостям напластования) и в толще появляются зоны XII (в подработанной толще) и XIIa (в надработанной).

В зависимости от условий разработки, способов управления кровлей и других влияющих факторов количество, местоположение и размеры зон могут отличаться от приведенной выше схемы. Так, при закладке выработанного пространства или при управлении кровлей способом плавного опускания зона обрушений, как правило, отсутствует, и непосредственно над выработанным пространством располагаются зоны разломов или трещин.

При малой вынимаемой мощности пласта и пластичных вмещающих породах могут отсутствовать также зона разломов и зоны трещин.

При наклонном и крутом залегании пород (вторая группа месторождений) часть слоев изгибается подобно наклонным плитам, защемленным по концам, а часть слоев — подобно наклонным консольным плитам, защемленным у нижнего конца.

На выходах мощных крутопадающих пластов образуются провалы. При наклонном, и особенно крутом, залегании пластов, горизонтальные сдвижения и деформации преобладают над вертикальными. Кривые деформации в этих условиях часто имеют прерывистый характер, отражающий появление на земной поверхности уступов и трещин.

При складчатом залегании пород (третья группа) характер процесса сдвижения зависит от формы и размера складки. Особенно это заметно на складках синклинальной формы. В тех случаях, когда расстояние между выходами пласта на поверхность на разных крыльях складки соизмеримо с длиной мульды сдвижения, процесс сдвижения развивается и замыкается, как правило, внутри этой складки. В тех случаях, когда размеры синклинальной складки в плане в несколько раз превышают размеры мульды сдвижения, на выходе осевой плоскости складки на поверхность (если она попала в зону влияния горных работ) наблюдается значительная концентрация деформаций.

В условиях несогласного залегания пород (четвёртая группа) характер процесса сдвижения зависит от мощности несогласно залегающих пород и их доли в составе общей толщи. Наиболее часто несогласно с коренными породами залегают третичные и четвертичные отложения (наносы).

Следует заметить, что существенное влияние на процесс сдвижения в условиях слоистого строения пород оказывают геологические нарушения. На выходах этих нарушений на поверхность (или под наносы) наблюдается резкая концентрация деформаций, нередко с образованием уступов и трещин.

Ко второму классу массивов , т.е. к массивам с неслоистым строением, относятся в основном месторождения, залегающие в крепких магматических или метаморфических породах. Формы этих месторождений весьма различны: от пластообразных и жилоподобных залежей до отдельных рудных вкраплений. Соответственно различен для них и характер процесса сдвижения, что существенно затрудняет выявление общих закономерностей его развития. Процессы сдвижения здесь изучены в меньшей степени и результаты ограничиваются установлением угловых параметров процесса сдвижения, определяющих границы всей мульды и ее отдельных зон.

Процесс сдвижения при неслоистом строении пород развивается преимущественно в форме перемещения отдельных структурных блоков в сторону выработанного пространства. Наиболее вероятными местами образования поверхностей отрыва являются поверхности структурных неоднородностей, в частности крутопадающие тектонические трещины, особенно если они подсечены горными работами.

На рис. 20.4 в качестве примера приведена схема развития процессов сдвижения в условиях апатито-нефелиновых месторождений Хибин.

Рис. 20.4 Схема развития процессов сдвижения в условиях апатито-нефелиновых месторождений Хибин