книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках

определялась высота зоны трещин, которые имеют прямое сооб­ щение с горными выработками. На основе этого определялась без­ опасная глубина ведения очистных работ под плывунами.

Методика наблюдений за сдвижением земной поверхности обес­ печивала необходимую точность инструментальных определений перемещений реперов в пространстве и во времени. Измерение расстояний выполнялось металлическими рулетками с помощью жестких отвесов, сконструированных на кафедре маркшейдерского дела ДГИ. В настоящее время широко используется для этих целей светодальномер МСД-1.

Интервал времени между инструментальными наблюдениями принимался равным от 1 до 15 дней и более в зависимости от по­ ставленных задач исследований.

Ежедневные наблюдения проводились, главным образом, на станциях глубинных реперов и в комплексе наблюдений, связан­ ных с запуском воды с люминофорами в скважины.

Опыт проведения трех специальных горизонтальных подземных горных выработок, пересекающих будущую зону сдвижений в мас­ сиве горных пород, где были заложены специальные наблюдатель­ ные станции реперов через 1—2 м и начаты частотные наблюде­ ния, не увенчался успехом, так как выработки весьма быстро де­ формировались и выходили из строя по мере движения под ними очистных работ, несмотря на принятые меры их поддержания.

3.2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ

На основании полученных результатов всего комплекса иссле­ дований за период 1963—1968 гг. были получены основные пара­ метры процесса сдвижения для условий Западного Донбасса. Бы­ ли составлены указания по охране сооружений и природных объ­ ектов от вредного влияния подземных горных разработок в За­ падном Донбассе.

Границы зоны опасного влияния подземных разработок назем­ ной поверхности для всех объектов, кроме вертикальных стволов глубиной более 600 м и магистральных газопроводов диаметром более 250 мм, установлены относительно границ выработанного пространства углами сдвижения в коренных породах р=у = б=80° и в наносах углом сдвижения ф = 50°.

Граница зоны опасного влияния для вертикальных стволов глу­ биной более 600 м и магистральных газопроводов диаметром бо­ лее 250 мм определяется граничными углами Ро=уо=0о=70° в ко­ ренных породах и углом ф0=45° в наносах. Ввиду большой мощно­ сти наносов, при определении границ зоны влияния в них вместо границ выработанного пространства применяется граница вред­ ного влияния на контакте наносов с коренными породами.

При определении границы опасного влияния разработок на земной поверхности приняты такие критические деформации: на­

при определении граничных углов за критическую величину осе­ дания принято 10 мм.

За период опасных деформаций принято считать время интен­ сивных сдвижений земной поверхности над выработанным прост­ ранством со скоростью оседания не менее 50 мм в месяц.

Опасные деформации наступают спустя один-два месяца после того, как процесс сдвижения достигнет земной поверхности при средней скорости подвигания очистных забоев около 35—40 м/мес при глубинах до 200 м. Период опасных деформаций продолжа­ ется 4—6 мес при разработке одного пласта и до 8—11 мес при одновременной разработке двух пластов с опережением лав верх­ них пластов относительно нижних на 80—90 м.

Общая продолжительность процесса сдвижения земной поверх­ ности под влиянием одного пласта при средней скорости подвнгания забоев 35—40 м/мес на глубине до 200 м составляет 11— 12 мес, а при разработке двух пластов — 16—18 мес.

Все охраняемые объекты разделены на шесть категорий со сле­ дующими значениями коэффициентов безопасности:

Для объектов шестой категории коэффициент безопасности не устанавливался, так как эти объекты не подлежат охране предо­ хранительными целиками.

Проведенные исследования показали, что ведение горных ра­ бот под плывунами и обводненными песками допускается при рас­ стоянии по вертикали от горных выработок до поверхности карбо­ новых отложений 20т (где т — вынимаемая мощность пласта), но не менее 25 м. На шахтах бассейна построены новые границы ведения горных работ под плывунами, что позволило вовлечь в разработку значительную часть запасов, оставленных ранее в це­ ликах, в соответствии с первоначальными проектами шахт.

Все эти основные параметры в последующие годы исследова­ ния процесса сдвижения были уточнены, скорректированы и вве­ дены для специфических условий Западного Донбасса в «Прави­ ла охраны сооружений и природных объектов ...» [31].

3.3. РАСЧЕТ СДВИЖЕНИИ И ДЕФОРМАЦИИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

На основе обобщения и анализа материалов исследований со­ ставлена методика расчета сдвижений и деформаций для условий Западного Донбасса.

Ниже приводятся формулы для расчета сдвижений и деформа­ ций земной поверхности под влиянием отдельной очистной выра­ ботки при законченном процессе сдвижения.

Величины необходимых параметров для расчета сдвижений и деформаций земной поверхности:

граничные углы в коренных породах Po=Yo=6o=70°, в наносах

Местоположения точек в мульде с максимальными наклонами, горизонтальными сдвижениями и деформациями имеют устойчи­ вый характер закономерности относительно границ горных работ. Точки с указанными деформациями определяются относительно границ выработанного пространства внутренними углами б», об­ разованными на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения горизонтальной линией и линией, соединяющей границы горных работ и точки на земной поверхности с макси­ мальными деформациями. Установлено, что точки с максималь­ ными горизонтальными сдвижениями и максимальными наклонами совпадают и расположены над выработанным пространством. Уг­ лы для определения этих точек одинаковы и составляют 84°. Точ­ ка, с максимальным растяжением располагается под целиком и определяется углом, равным 96°.

Расстояния а, в плане от горных выработок до точек с соот­ ветствующими максимальными сдвижениями и деформациями вы­ числяются по формуле

Расчет сдвижений и деформаций в точках полумульды можно производить ' по формулам,, выведенным для условий основного Донбасса.

3.4. БЕЗОПАСНАЯ 1ГЛУБИНА ВЕДЕНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ ПОД ПЛЫВУНАМИ И ВОДНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

При проектировании шахт Западного Донбасса границы без­ опасного ведения очистных работ под плывунами были приняты из расчета безопасной глубины, равной 40-кратной мощности пласта. В связи с весьма пологим падением пластов на шахтах I очереди было запроектировано оставить в охранных целиках под плыву­ нами весьма большие запасы угля (десятки млн. т). Поэтому по­ ставлена задача определения оптимальных условий безопасного ведения горных работ под .плывунами и водными объектами в ус­ ловиях Западного Донбасса. Для этого был применен люминес­ центный метод определения распространения сообщающихся тре­ щин в подработанной толще пород. Сущность метода заключает­ ся в том, что водные объекты имитируются специальными скважи­ нами, пробуренными с земной поверхности над подрабатывающим пластом. Забои скважин останавливают от кровли пласта на рас­ стояниях, равных 10 т , 15 т , 20 т . В них заливается вода, окра­ шенная водорастворимыми люминесцентными красителями (люми­ нофорами). В каждой скважине вода окрашивается люминофором со своим спектром люминесценции.

В результате подработки вода из скважин уходит по образо­ вавшимся трещинам и, если эти трещины сообщаются с вырабо­ танным пространством подрабатывающего пласта, попадает в шахту. Исследованием спектров свечения проб шахтной воды на спектрографе ИСП-51 с фотоэлектрической приставкой ФЭП-1 оп­ ределяется, из каких скважин вода поступила в шахту. Таким об­ разом устанавливается верхняя граница развития сообщающихся трещин в подработанной толще пород, а следовательно, и безопас­ ная глубина ведения очистных работ. Такие эксперименты были проведены на четырех шахтах.

По результатам проведенных экспериментов можно сказать, что в данных горно-геологических и горнотехнических условиях верхняя граница распространения сообщающихся трещин в под­ работанной толще пород проходит на высоте до 16 т от пласта.

Нормативное значение безопасной глубины разработки уголь­ ных пластов под плывунами должно иметь запас надежности, ве­ личина которого учитывает возможное уменьшение расстояния пластов от плывунов в интервалах между разведочными скважи*

нами, а также технические ошибки определения мощности разде­ ляющей толщи по скважинам. Величина не обнаруженных развед­ кой местных уменьшений глубины залегания пластов от плывунов определена на основе оценки сложности и изменчивости изоглу­ бин залегания пластов от плывунов. Количественная оценка слож­ ности и изменчивости изоглубин выполнена двумя независимыми способами — статистическим и геометрическим. Исследования по­ казали, что вероятная погрешность определения глубины залега­ ния пласта от плывуна в интервалах между скважинами может приниматься равной ±3,2 м.

Погрешность определения глубины залегания пластов от плы­ вуна по скважинам, зависящая от погрешности определения отме­ ток почвы плывуна и кровли пласта, оказалась равной ±1,1 м.

В результате исследования распространения сообщающихся трещин в подрабатываемой толще пород и изменчивости глубины залегания пластов от плывунов получена формула для определе­ ния безопасной глубины (м)

Если учесть, что мощность разрабатываемых пластов в Запад­

По этой формуле определяют нормативную величину безопас­ ной глубины ведения горных работ под плывунами и обводнен­ ными песками. При этом учитывают, чтобы Не, было не менее

25м.

Всоответствии с новыми данными на всех шахтах Западного Донбасса построены новые границы безопасного ведения очист­ ных работ под плывунами. При весьма пологом залегании уголь­ ных пластов (0—5°) оказалось возможным ввести в разработку новые горизонты горных работ по каждому пласту в полосе меж­ ду старыми и новыми границами безопасного ведения горных ра­ бот под плывунами. Это позволило вовлечь в разработку запасы на участках угольных пластов, которые были ранее законсерви­ рованы в целиках под плывунами. За период 1968—1978 гг. на

трех шахтах из этих зон добыто 5,9 млн. т, в них. пройдено 184 горные подготовительные выработки общей протяженностью 85,9 км.

При этом никаких осложнений в ведении горных работ, про­ рыва плывунов или воды не было.

Такая широкая производственная проверка полученных резуль­ татов исследования подтверждает правильность принятых основ­ ных нормативных положений.

Дальнейшие исследования ведутся в направлении уточнения безопасной глубины под плывунами при проведении подготови­ тельных горных выработок и при разработке свиты пластов.

нозируемый рельеф определяется как разность двух топографиче­ ских поверхностей — поверхности исходного рельефа и поверхно­ сти изооседаний).

4. Определение отметок уровня возможного затопления с уче­ том особенностей гидрологии и гидрогеологии и оконтуривание зон затопления и заболачивания.

5. Оценка основных последствий подработки пойменных участ­ ков в первые годы работы шахт и в конце срока их службы.

В результате всех этих работ по каждому шахтному полю оп­ ределены размеры и контуры площадей зон затопления и забола­ чивания, мелководья, составлены планы в изоглубинах затопления. По этим материалам определены объекты, которые окажутся в тех или иных зонах (села, пашни, сады, лесные и огородные угодья) и для которых необходимо разрабатывать соответствующие меро­ приятия по их сохранению, например, путем ведения очистных ра­ бот с закладкой выработанного пространства.

3.6. РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА

СДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ВЫЕМКЕ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В ЗАПАДНОМ ДОНБАССЕ

Как уже сказно выше, защита зданий и сооружений от вред­ ного влияния подземных разработок в Западном Донбассе имеет важное значение, так как в оставленных целиках под застроенны­ ми территориями законсервировано несколько миллионов тонн угля. В то же время под многими объектами, такими, как желез­ ные дороги и высотные сооружения, можно извлечь уголь при принятии мер защиты во время подработки. Известно, что меры охраны выбираются в зависимости от величин деформаций зем­ ной поверхности. Однако до сих пор не только в Западном Дон­ бассе, но и в других угольных бассейнах страны недостаточно изучено развитие процесса сдвижения земной поверхности над движущимся забоем.

Исследование динамических параметров процесса сдвижения проводилось путем закладки наблюдательных станций и произ­ водства частотных наблюдений с интервалом в течение от 1 до

10дней.

За период с 1971 по 1977 г. было проведено более 300 серий

частотных наблюдений, выполнен их анализ и, обобщение, на ос­ новании которых разработан способ расчета параметров сдвиже­ ния и деформации земной поверхности во времени. Условия под­ работки наблюдательных станций: вынимаемая мощность плас­ тов 0,65—1,10 м; глубина разработки 100—240 м; мощность нано­ сов 50—100 м; управление горным давлением — полное обруше­ ние; скорость подвигания забоя — от 40 до 110 м/мес.

Результаты исследований относятся к тому участку главного сечения мульды в направлении движущегося забоя, который до подработки был впереди забоя, а после подработки оказался в плоском дне мульды.

3.6.1.Расчет общей продолжительности процесса сдвижения

иего отдельных стадий

Общую продолжительность процесса сдвижения удалось полу­ чить на 8 станциях шахт Западного Донбасса. По результатам частотных наблюдений построены кривые (рис. 3.1) оседаний и скоростей оседаний на примере одной характерной для данных условий станции.

Рис. 3.1. Характер распределения отдельных стадий процесса сдвижения земной поверхности во времени:

/ — кривая оседаний; 2 — кривая скоростей оседаний; 3 — положение забоя лавы

На этом графике показана общая продолжительность процес­ са сдвижения Т и распределение его отдельных стадий: началь­ ной (Н), активной (а) и затухания (3). Здесь же показан график сдвижения очистного забоя. При определении общей продолжи­ тельности процесса сдвижения за начало процесса сдвижения точ­ ки земной поверхности принималась дата, когда величина оседа­

Исследования показали, что общая продолжительность процес­ са сдвижения прямо пропорциональна глубине разработки и об­ ратно пропорциональна скорости подвигания забоя. Такая же за­ кономерность была установлена ранее А. Н. Медянцевым. Прэтому для вычисления общей продолжительности процесса сдвиже­

Из рис. 3.1 видно, что за продолжительность начальной стадии принимается промежуток времени от начала процесса сдвижения до времени появления скорости оседания величиной 50 мм/мес (1,64 мм/сут). За продолжительность периода опасных деформа­ ций принимается отрезок времени, в течение которого скорость оседаний не менее 50 мм/мес. За периодом опасных деформаций наступает стадия затуханий, которая определяется отрезком вре­ мени со скоростью оседания точки менее 50 мм/мес.

В условиях Западного Донбасса начальная стадия процесса сдвижения начинается и заканчивается до подхода горных работ под подрабатываемую точку на земной поверхности. На началь­ ную стадию приходится 5 % времени, на период опасных дефор­ маций— 70%, на стадию затухания — 20% времени от общей продолжительности процесса сдвижения.

Таким образом, в Западном Донбассе сдвижение земной по­ верхности происходит в основном при скоростях оседаний, харак­ теризующих период опасных деформаций. Это объясняется нали­ чием на поверхности карбоновых"отложений большой. мощности наносов и небольшой глубиной разработки пластов.

3.6.2.Расчет максимальных сдвижений и деформаций

вдинамической полумульде

Для разработки способа расчета сдвижений и деформаций земной поверхности в точках динамической полумульды будет ис­ пользована величина максимального оседания, которую рекомен­ дуется вычислять по формуле

где т — вынимаемая мощность пласта.

Величины оседаний земной поверхности за отдельные стадии процесса сдвижения при движущемся забое вычисляются в за­ висимости от максимального оседания:

стадии процесса сдвижения, в момент прохождения забоя, в пе­ риод максимальной скорости оседания и к окончанию периода проявлений опасных деформаций.

Из формул (3.13) видно, что оседание к началу активной ста­ дии процесса сдвижения достигает 3 % от максимального. В мо­ мент прохождения забоя под точкой ее оседание составляет 14 %