книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках

Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках. Под общей ред. проф., д-ра техн. наук В. А. Букринского и канд. техн. наук Г. В. Орлова. М. Недра, 1984. 241? о.

Приведены теоретические разработки по сдвижению горных по­ род и земной поверхности при подземных разработках угольных и

рудных месторождений, при геотехнологических методах разра­ ботки н подземной газификации. Рассмотрены методы расчета ве­

личин сдвижения и деформаций, некоторые новые закономерности формирования мульды сдвижения, допустимые условия подработ­

ки. Даны рекомендации по применению мер защиты зданий и со­

оружений, сокращению размеров охранных целиков.

Для ннженеров-маркшейдеров горных предприятии, научно-ис­

следовательских и проектных институтов.

Табл. 29, ил. 70, список лит.— 45 назв.

Авторы:

В. Я. Борщ-Компониец, Я. М. Батугина, В. М. Варлашкин,

В.К. Капралов, Я. Г. Лисица, Л. Н. Медянцев, С. Л. Медянцев.

ГВ. Орлов, Е. Г. Петрук, /О. В. Посыльный, Я. Я. Романов,

А.Д. Сашурин, Л. Г Шадрин

Ре ц е н з е н т — чл.-корр. АН Каз. ССР Я. Я. Попов (Караган­

динский политехнический институт)

2501000000—526

СÔ43(Ôl)-^84----- СВ°А- пл. подписных изд. 1984 г.

@Издательство «Недра». 1984

Всоответствии с «Основными направлениями экономического

исоциального развития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года», утвержденными XXVI съездом КПСС, в горнодобы­

вающей промышленности СССР проводится большая работа по увеличению объемов добычи полезных ископаемых, внедрению но­ вых малоотходных, безотходных и энергосберегающих технологий, повышению комплексности и полноты использования минерально­ го сырья.

Изучение сдвижения горных пород и охраны сооружений пред­ усматривает наиболее полное и рациональное извлечение полез­ ных ископаемых из недр.

В основных горнодобывающих районах нашей страны значи­ тельные запасы полезных ископаемых находятся под застроенны­ ми территориями. Максимальное вовлечение запасов в эксплуата­ цию неразрывно связано с использованием экономичных и эффек­ тивных способов защиты сооружений и природных объектов от вредного влияния горных разработок. Для создания этих способов защиты был проведен комплекс исследовательских работ, кото­ рые можно разделить на четыре группы:

1)исследование сдвижения горных пород и земной поверхно­ сти над горными выработками;

2)исследование взаимосвязи деформации-земной поверхности

исооружений;

3)разработка строительно-конструктивных мер защиты соору­

жений; 4) анализ влияния технологических систем разработки полез­

ных ископаемых на деформацию земной поверхности.

Исследования проводились путем'инструментальных наблюде­ ний в натурных условиях на специально заложенных станциях, моделирования на эквивалентных материалах. В ряде бассейнов наблюдения ведутся уже в течение десятков лет. Обобщение и анализ обширного материала наблюдений позволили выявить ос­ новные закономерности сдвижения горных пород и разработать методы расчета сдвижений и деформаций земной поверхности, по­ лучивших широкое практическое применение.

Методы расчета, принятые в настоящее время, разработаны для условий, когда известно расположение выработок в пластах (полная методика) и когда расположение выработок в пластах не известно (упрощенная методика). П о л н а я м е т о д и к а позво-

ляет определять ожидаемые деформации земной поверхности в лю­ бой точке мульды сдвижения. В основу этой методики положены типовые кривые распределения вертикальных сдвижений. Сущест­ вуют теоретические и эмпирические способы определения типовых кривых. Наибольшее распространение получили эмпирические ти­ повые кривые, выведенные непосредственно из данных натурных наблюдений и заданные таблично, графически или путем подбора аппроксимирующих функций. М е т о д т и п о в ых к р и в ы х ока­ зался наиболее удобным. Имея данные натурных наблюдений, можно просто получить типовые кривые для • конкретных горно­ геологических условий данной шахты или данного района. При этом формулы для расчета сдвижений и деформаций остаются не­ изменными.

Возможности метода типовых кривых еще не исчерпаны, име­ ются пути дальнейшего совершенствования и уточнения этого ме­ тода. Об этом свидетельствует, в частности, ряд исследований, по­ мещенных в настоящей книге.

Метод типовых кривых включает в себя определение границ мульды сдвижения как по площади, так и в главных ее сечениях, что недостаточно изучено и требует дальнейшего уточнения. Не­ достаточно выяснено влияние на типовую кривую фактора време­

максимальные деформации земной поверхности как при выемке одного пласта, так и при разработке свиты пластов. Эта методика находит все большее применение на практике (особенно в проект­ ных организациях).

Существующие методы расчета имеют ограниченную область применения. Они неприменимы в особо сложных горно-геологиче­ ских и горнотехнических условиях: наличие в толще дизъюнктив­ ных геологических нарушений, складчатое залегание пластов, го­ ристый рельеф, камерная система отработки пластов и т. д.

Недостаточно изучены характеры сдвижения земной поверхно­ сти при ведении горных работ на больших глубинах, активиза­ ции сдвижения горных пород при разновременной разработке сви­ ты пластов и природа неравномерности распределения деформа­ ций в мульде сдвижения и др.

Существующие методы расчета сдвижений и деформаций дол­ жны совершенствоваться в связи с изменением горно-геологиче­ ских условий и развитием науки о сдвижении горных пород. Необ­ ходимо, чтобы новые методы охватывали больший круг горно-гео­ логических условий, позволяли рассчитывать деформации с боль­ шей точностью и могли быть применены для неизученных место­

рождений.

В основу существующей полной методики, как отмечалось, по­ ложен принцип типовых кривых. Наряду с этим могут быть раз­ работаны методы расчета сдвижений и деформаций, в основу ко­ торых положены иные принципы.

В настоящей книге приведены расчетные схемы сдвижений и деформаций на основе использования функции затухания сдви­ жений в слоистом массиве.

Исследования взаимосвязи деформаций земной поверхности и сооружений проводились с целью определения характера деформи­ рования сооружений при сдвижении основания вследствие подра­ ботки, определения допустимых условий подработки и допустимых деформаций, коэффициентов взаимосвязи деформаций сооруже­ ний с деформациями земной поверхности и др. Эти исследова­ ния явились связующим звеном между исследованиями сдви­ жения земной поверхности и исследованиями строительно-конст­ руктивных мер защиты сооружений.

Основным методом исследований этой группы явились инстру­ ментальные наблюдения, в которые входили маркшейдерско-гео­ дезические, тензометрические и фотограмметрические измерения.

Результаты этих исследований явились основой при составле­ нии нормативных документов по защите существующих и проекти­ руемых сооружений. В' этой области также остаются нерешенны­ ми или недостаточно решенными многие вопросы, относящиеся, главным образом, к допустимым условиям подработки и допусти­ мым деформациям разного типа сооружений и природных объек­ тов.

Вопросы сдвижений горных пород и охраны сооружений на рудных месторождениях менее изучены, чем на угольных. Это объясняется сложностью горно-геологических условий, влиянием на процесс сдвижения тектонических полей напряжений в районе месторождений, большим разнообразием применяемых систем разработок и трудностями получения параметров сдвижения вследствие длительности процесса сдвижения на большинстве руд­ ных месторождений.

В данной книге изложены особенности сдвижения горных по­ род и земной поверхности при разработке некоторых рудных ме­ сторождений Урала и Сибири, приведены расчетные схемы для этих условий. Учитывая, что в последние годы все большее вни­ мание уделяется геотехнологическим методам разработки место­ рождений полезных ископаемых, в настоящей книге освещены также основные закономерности процесса сдвижения горных по­ род и земной поверхности при подземной газификации углей и геотехнологической добыче серы.

Книга написана по инициативе маркшейдерской секции Цент­ рального правления НТГО. Отзывы и замечания просьба направ­ лять по адресу: 103006 Москва, К-6, Каретный ряд, 10/18, Цент­ ральное правление НТГО (маркшейдерская секция).

1.РАСЧЕТЫ СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В ДОНБАССЕ

1.1.СДВИЖЕНИЕ ТОЛЩИ ГОРНЫХ ПОРОД

1.1.1.Схема сдвижения горных пород

Для выявления закономерностей сдвижения земной поверхно­ сти и разработки способов расчета параметров необходимо иметь представление о характере сдвижения толщи горных пород.

Земная поверхность является частью сдвигающейся толщи гор­ ных пород и сдвижение ее отражает те процессы, которые проис­ ходят в толще. Эти два процесса (сдвижение толщи пород и сдви­ жение поверхности) взаимно увязаны и должны рассматриваться во взаимосвязи.

С раскрытием закономерностей сдвижения толщи пород связа-' но не только сдвижение земной поверхности, но и многие другие вопросы горного дела: управление кровлей, охрана выработок, борьба с внезапными выбросами угля, газа и др. Для решения этих задач достаточно знать закономерности сдвижения слоев горных пород, залегающих вблизи отрабатываемого угольного пласта. Для изучения же сдвижений земной поверхности необхо­ димо знать сдвижение всей толщи пород от пласта до поверхно­ сти земли.

Сдвижение всей толщи изучено значительно хуже, чем сдвиже­ ние слоев горных пород вблизи разрабатываемого пласта.

На основании комплекса наблюдений в натурных условиях и на моделях может быть составлено представление о характере сдвижения горных пород толщи. Это представление удобно обоб­ щить в виде схемы сдвижения горных пород при первичной и пов­ торной подработках толщи.

При подземной разработке пластов угля возникает сдвижение вышележащей (подработанной) толщи горных пород, которое про­ исходит в форме последовательного прогиба слоев пород в сто­ рону выработанного пространства.

В сдвигающейся толще выделяются определенные зоны, отли­ чающиеся различным характером сдвижения и напряженного со­

стояния пород.

В первый период развития очистной выемки, когда забой лавы отошел от массива (разрезной печи) на незначительное расстоя­ ние, непосредственная кровля пласта практически находится в устойчивом состоянии, сдвижение ее в форме прогиба происходит

б

медленно и измеряется малыми величинами. По мере увеличения отхода лавы от разрезной печи скорость и величина прогиба кровли пласта увеличиваются, в сдвижение вовлекаются вышеле­ жащие слои пород, а затем и земная поверхность. По данным на­ блюдений, сдвижение пород при глубинах горных работ до 500 м распространится до земной поверхности, когда забой лавы отойдет

1)беспорядочного обрушения;

2)прогиба пород с образованием трещин разрыва;

3)прогиба пород без разрыва сплошности.

По характеру сдвижения слоев горных пород в толще в направ­ лении вкрест простирания могут быть выделены следующие зо­

ны (рис. 1.1) :

I — область полных сдвижений;

Па и Пб — зоны наибольшего изгиба пород; II1а и Ш б — зоны сжатия пород.

Область полных сдвижений СОД характеризуется тем, что век­ торы сдвижения точек в пределах этой области выше зоны обру­ шения параллельны между собой и направлены по нормали к на­ пластованию, а слои горных пород после окончания сдвижения за-

ще, соединяющие точки перегиба кривых оседания слоев пород и земной поверхности. Точки перегиба кривых оседаний характер­ ны тем, что именно в них происходит качественное изменение ха­

рактера оседания пород.

Очистная выемка вызывает сдвижение и изменение напряжен­ ного состояния пород как в вышележащей (подработанной), так и в нижележащей (надработаниой) толще. В нижележащей толще в зонах опорного давления изменение напряженного состояния горных пород можно объяснить действием опорного давления как штампа с неравномерно распределенной нагрузкой. В' вышележа­ щей толще изменение напряжений можно объяснить воздействием сил реакции опорного давления, действующих так же, как штамп, но в направлении, обратном прямому воздействию опорного дав­ ления на нижележащую толщу. Такое представление о природе возникновения напряжений в породах, расположенных в зонах влияния опорного давления, позволяет применить для расчета на­ пряжений в любой точке массива теорию распределения напряже­ ний, применяемую в механике грунтов и основанную на матема­ тической теории упругости [42, 45].

В работах [15, 44] зона опорного давления делится на две части : зону п р е д е л ь н о г о с о с т о я н и я от очистного забоя до максимума опорного давления и у п р у г у ю з о н у от максиму­ ма опорного давления до границы зоны опорного давления в мас­ сиве (целике). Причем упругая зона занимает большую часть всей зоны Опорного давления. Эпюра нагрузки в упругой части зоны опорного давления близка к треугольной. В действительно­ сти эпюра нагрузки сложнее треугольной, но для целей расчета сдвижения толщи горных пород и земной поверхности такое упро­ щение допустимо.

Рассмотрим влияние опорного давления, выраженного прибли­ женно треугольной эпюрой, на любую точку М в подработанном или надработанном массивах (рис. 1.2).

Максимальная величина опорного давления

Р = (К - 1 )у Н ,

где К — коэффициент концентрации опорного давления (по дан­ ным многих исследований, /C=l,5-f-3,0).

Будем определять только вертикальные сжимающие напряже­ ния. Длина зоны опорного давления в плоскости пласта составит Ц = Н ctgôo. Опорное давление на бесконечно малом элементе dy

равно d p = P ydy.

Из треугольника нагрузки имеем

Ру—Py/Lo.

Координата у получается из выражения у = х ( tgp —tgp2). Поэтому Ру= (Px/Lo) (tgp—tgp2).

В свою очередь, dy может быть определено из выражения

dy—rd p/cos р.

Тогда будем иметь

d p = P x (tg р—tg р2) rd р/ (L0 cos p).

dp можно рассматривать как действие сосредоточенной силы. Распределение напряжений в линейно деформируемом массиве

при действии сосредоточенной силы на единицу длины выражает­ ся [45] формулой

О л=2Р cos3p/(nr).

Подставив в этой формуле вместо Р значение величины dP, получим выражение для определения составляющей напряжения, параллельной оси л', для точки М :

-------J (tg Р - tg %) cos1’ Щ . Ра

Имея в виду, что tgp2 для рассматриваемой точки есть величи­ на постоянная, получим:

Пользуясь этой формулой, рассчитывают напряжение в любой точке подработанного массива в зоне влияния опорного давления.

Расчет можно произвести также с помощью специальных таб­ лиц.

На рис. 1.3, а показаны изолинии напряжений в долях от максимальной нагрузки Р = ( К — 1 )уН, а на рис. 1.3,6 — изменение сжимающих напряжений по вертикальной линии, проведенной че­ рез точки с максимальным напряжением. Как видно из рисунка, вертикальные сжимающие напряжения распределяются неравно­ мерно как по вертикальным, так и по горизонтальным сечениям. При этом на расстоянии по вертикали, равном длине зоны опор­ ного давления Lo, происходит наиболее резкое изменение напря­ жений (величина его уменьшается в 2,5 раза), при дальнейшем удалении от пласта величина напряжения асимптотически прибли­ жается к нулю.

Приведенное описание механизма образования напряжений в толще пород в зонах опорного давления не претендует на полноту решения проблемы, но по-иовому объясняет явление. Причем по­ лученные результаты соответствуют натурным наблюдениям и на­ блюдениям на моделях.

Распределение напряжений и деформаций горных пород в уп­ ругой части зоны опорного давления имеет важное значение при решении вопроса охраны вертикальных выработок (стволов, сква­ жин и др.)-