книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности под влиянием подземной разработки

V

УДК 6 2 2 .8 3 .0 1 :68 2 .2 73 ББК 33.12

0 66

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253—03, утвержденным Главным государственным сани­ тарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). Санитарноэпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека № 77.99.60.953.Д. 014376.12.09

Экспертиза проведена Государственным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г. В. Плеханова (технический университет)»

Орлов Г. В.

0 66 Сдвижение горных пород и земной поверхности под влиянием подземной разработки: Учебное пособие для вузов. —М.: Издатель­ ство «Горная книга», Издательство Московского государственного горного университета, 2010. - 198 с.: ил. (ГОРНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ)

ISB N 978-5-98672-241-2 (в пер .)

ISB N 978-5-7418-0673-9

Рассмотрено состояние изученности вопросов сдвижения горных пород и зем­ ной поверхности при подземной разработке угольных и рудных месторождений. Приведены методы изучения деформационных процессов в породном массиве и на земной поверхности, основные параметры этих процессов и влияющие на них фак­ торы, методы наблюдений за сдвижением земной поверхности, деформациями под­ рабатываемых объектов и расчета деформаций земной поверхности, а также спосо­ бы определения допустимых условий выемки полезных ископаемых под инженер­ ными и природными объектами. Изложены принципы управления сдвижением горных пород и деформациями подрабатываемых зданий и сооружений. Описаны методы построения предохранительных целиков, особенности сдвижения горных пород и земной поверхности при скважинных методах добычи твердых полезных ископаемых. Даны рекомендации по использованию закономерностей сдвижения земной поверхности для оценки полноты извлечения полезного ископаемого.

Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Маркшейдерское дело» направления подготовки «1орное дело». Может быть полезно студентам других спе­ циальностей горныхучебных заведений и инженерно-техническим работникам гор­ нодобывающих предприятий.

I. СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОД

ВЛИЯНИЕМ ШАХТНОЙ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

1.1. Общие сведения

Горные породы, покрывающие полезное ископаемое, нахо­ дятся в состоянии естественного равновесия. Образование незакрепленного выработанного пространства в процессе под­ земной разработки приводит к нарушению равновесия пород, их перемещению и деформированию. Перемещение пород, возни­ кая вблизи горной выработки, распространяется в верхние слои покрывающей толщи и при достаточно больших размерах выра­ ботанного пространства достигает земной поверхности, которая также претерпевает деформации. Породы почвы выработки испытывают поднятия, обусловленные снятием нагрузки от вышележащих пород и перераспределением горного давления.

Таким образом, под сдвижением горных пород и земной поверхности понимают их перемещение и деформирование в результате нарушения естественного равновесия пород под влиянием горных разработок. Следует иметь в виду, что процесс сдвижения может развиться в толще пород, на земной поверхно­ сти и под влиянием водопонижения, изменения механических свойств пород, тектонических и других явлений. В настоящем пособии рассматриваются вопросы сдвижения горных пород и земной поверхности под влиянием горных разработок и послед­ ствия этих сдвижений для сооружений различного типа.

При подземной разработке месторождений полезных ископа­ емых на земной поверхности над выработанным пространством могут образовываться провалы, уступы, трещины и значительные по размерам впадины (мульды сдвижения), в которых перемеще­ ния точек происходят неравномерно и достигают иногда несколь­ ких метров. Сдвижение земной поверхности в ряде каменноуголь­ ных бассейнов Европы с середины прошлого столетия стало нано­ сить серьезный ущерб зданиям, сооружениям, путям сообщения и

сельскому хозяйству. Отмечено много случаев, когда в результате подработки были разрушены поверхностные и подземные соору­ жения, имели место прорывы воды в выработки. В связи с этим маркшейдеры горных предприятий стали закладывать наблюда­ тельные станции и вести систематические инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности. На основе обоб­ щения результатов этих наблюдений и теоретических представле­ ний о процессе сдвижения земной поверхности возникла новая область горной науки - сдвижение горных пород.

Наиболее полно изучены процессы сдвижения при разра­ ботке угольных месторождений. Поэтому изложение материала будет базироваться преимущественно на результатах исследова­ ний, проведенных в угледобывающих регионах.

В угольных бассейнах стран СНГ в зоне влияния горных работ ежегодно находится более 20 тысяч различных объектов. Под застроенными территориями и охраняемыми природными объектами залегает более 5,5 млрд, т балансовых запасов угля. С увеличением плотности застройки и развитием горных работ число подрабатываемых сооружений будет возрастать. Ожидае­ мые характер и параметры процесса сдвижения горных пород на стадии проектирования шахтной разработки полезных ископае­ мых определяют, вместе с другими факторами, выбор системы и порядка разработки пластов, способа управления кровлей, типа и параметров крепи выработок. Главное внимание при этом уде­ ляется обеспечению безопасного ведения горных работ, полноты извлечения полезного ископаемого, а также сохранности зда­ ний, сооружений, водоемов, капитальных горных выработок и других объектов, попадающих в зону сдвижения.

Отсюда становится очевидной важность надежного прогно­ зирования возможных последствий подработки объектов для своевременного принятия необходимых мер по их защите. Эти меры будут тем эффективнее, чем точнее будет составлен прог­ ноз ожидаемых деформаций земной поверхности, который, в свою очередь, зависит от полноты знаний процессов, происходя­ щих в подрабатываемой толще пород.

Геотехнологические (скважинные) методы добычи, осно­ ванные на переводе твердого полезного ископаемого на месте его залегания в подвижное (жидкое, газообразное, взвешенное) состояние и выдаче через скважины, пробуренные с земной поверхности, не требуют присутствия человека под землей, а к остальным вопросам добавляются специфические, которые в ряде случаев усиливают значение фактора сдвижения пород по сравнению с шахтным способом.

Так, при подземной газификации углей, прогрессивном методе разработки угольных пластов путем их газификации на месте залегания с получением газа для энергетических или хими­ ко-технологических целей, породы непосредственной кровли не только смещаются, деформируются с разрывом сплошности, но и изменяют свои механические свойства, химический и минера­ логический состав, агрегатное состояние. Как следствие этого нарушается герметичность подземного газогенератора, увеличи­ ваются потери рабочего агента (дутья) и газа, теплопотери в окружающие породы, возникают периферийные дутьевые пото­ ки, которые могут полностью расстроить процесс газификации.

При скважинной разработке пластов соли в них образуются пустоты, которые, при достижении определенных размеров, заполняются обрушившимися породами. При этом происходит изменение направления миграции воды, рассола и нарушение технологического процесса растворения соли.

Изложенные факты свидетельствуют о значительном влия­ нии сдвижения горных пород на процесс скважинной разработ­ ки твердых полезных ископаемых. Технологические параметры и специфика процесса добычи определяют формы выработанного пространства и характер сдвижения вышележащей толщи пород, которые, в свою очередь, оказывают непосредственное влияние на стабильность ведения технологического процесса и его техни­ ко-экономические показатели. Поэтому изучение процесса сдвижения горных пород и земной поверхности при геотехнологических методах добычи полезных ископаемых является необходимым не только с целью прогнозирования подработки

объектов и принятия мер по их защите, но и для совершенство­ вания этих методов.

Все изложенное свидетельствует о том, что сдвижение гор­ ных пород и земной поверхности относится к числу важных в практическом и теоретическом отношении проблем. Изучение процесса сдвижения горных пород позволяет установить его закономерности и правильно решать задачи управления горным давлением, предвидеть характер и степень деформирования толщи пород и земной поверхности при различных способах и условиях разработки, обеспечивать безопасное и эффективное ведение горных работ, а также сохранность наземных и подзем­ ных объектов.

1.2. Формы и схемы сдвижения горных пород при подземной разработке пластовых месторождений

Выбор мер по снижению вредного влияния процесса сдви­ жения горных пород на различные объекты зависит от его харак­ тера, под которым понимают формы сдвижения слоев пород и изменения напряженно-деформированного состояния пород­ ной толщи в результате ее подработки и надработки.

По данным практики ведения горных разработок и результа­ там наблюдений за сдвижением пород во всех угольных бассей­ нах страны установлено, что основными формами сдвижения горных пород при подземной выемке угольных пластов являют­ ся: прогиб слоев пород, обрушение, сдвиг по напластованию, отжим угольного пласта, выдавливание (или пластическое тече­ ние) и сползание.

Из перечисленных форм - прогиб, отжим угольного пласта и выдавливание или пластическое течение пород проявляются в различной степени практически всегда. Сдвиг пород по напла­ стованию проявляется при разработке наклонных и крутых пла­ стов. Обрушение и сползание пород связаны со способом упра­ вления кровлей и могут быть устранены путем применения закладки выработанного пространства.

Ниже приводится краткая характеристика основных форм сдвижения горных пород.

Прогиб пород —последовательное отделение от толщи слоев пород и перемещение их в сторону выработанного пространства без нарушения слоистости толщи. Сдвижение пород над выра­ боткой всегда начинается в форме прогиба отдельных слоев по нормали к напластованию.

Обрушение пород происходит в слоях пород непосредствен­ ной кровли над выработанным пространством. Для обрушения характерны отрыв пород от вышележащей толщи и беспорядоч­ ное их падение в виде отдельных блоков и кусков. Обрушению пород всегда предшествует предельный прогиб слоев. В процес­ се обрушения происходит разрыхление пород, что уменьшает величины сдвижений вышележащей толщи.

Сдвиг пород по напластованию проявляется одновременно с прогибом слоев при наклонном и крутом залегании пластов. Сдвиг пород вызывается деформированием слоев вдоль напластования под действием веса пород при расслоении толщи и под влиянием касательных напряжений, возникающих при изгибе слоев.

Отжим как форма сдвижения проявляется в угольном пласте и характеризуется смятием и выдавливанием части пласта угля в выработанное пространство под действием веса пород, Отжим угольного пласта сопровождается развитием процесса сдвиже­ ния в толще пород и на земной поверхности за пределами гра­ ниц, выработанного пространства.

Выдавливание или пластическое течение пород из массива в сторону выработанного пространства проявляется в виде пуче­ ния подошвы выработок. При пластическом течении происхо­ дит уменьшение мощности слоев пород в массиве за границами выработанного пространства и увеличение их мощности над выработанным и под выработанным пространством. Увеличение мощности пород в зоне разгрузки происходит также под влияни­ ем их упругого восстановления. Пластическое течение проявля­ ется главным образом в глинах, глинистых (углистых) сланцах и в угле. Пластическое течение является одной из основных при­ чин сдвижения толщи пород и земной поверхности над целиком угля за границами выработанного пространства.

Сползание пород проявляется в выработанном пространстве при выемке наклонных и крутых пластов с обрушением кровли. При сползании породы происходит перемещение обрушиваю­ щихся пород висячего бока, а также нарушаемых пород лежаче­ го бока.

Под влиянием горных работ в породном массиве образуют­ ся несколько зон, отличающихся по характеру и степени дефор­ мирования пород. Количество этих зон зависит от горно-геоло­ гических и горнотехнических условий разработки месторожде­ ния, сложности решаемых задач, степени изученности деформа­ ционных процессов и ряда других факторов. Чем сложнее и обширнее решаемые задачи, чем выше степень изученности деформационных процессов, тем детальнее составляются схемы сдвижения и на большее число зон разбивается деформирован­ ный массив. Современное состояние изученности вопроса позволяет выделить в деформирующемся массиве три области и 16 зон (в условиях крутого падения 17 зон), отличающихся харак­ терными, свойственными только для этих зон особенностями (рис. 1.1).

Область разгрузки характеризуется пониженными, по срав­ нению с нетронутым массивом, нормальными напряжениями, действующими перпендикулярно к напластованию. Она распо­ лагается над и под выработанным пространством (на рис. 1.1 область разгрузки заштрихована горизонтальными линиями) и имеет в сечении форму двух полуэллипсов, общая ось которых равна ширине очистной выработки D. Величины полуосей, характеризующих полуэллипсы в подработанной и надработанной частях массива, определяются размерами очистной выра­ ботки, углом падения и вынимаемой мощностью пласта, глуби­ ной разработки и способом управления горным давлением, литологическим строением и механическими свойствами гор­ ных пород. В условиях разработки тонких и средней мощности пологих пластов величина полуоси в подработанной толще коле­ блется обычно в пределах от 0,7 до 1,2 D, но редко превышает 250 м, а в надработанной толще она составляет примерно