Описание

Лекции - Сдвижение горных пород и земной поверхности под влиянием горных разработок

Сдвижение горных пород и земной поверхности под влиянием горных разработок

СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

ПОД ВЛИЯНИЕМ ГОРНЫХ РАЗРАБОТОК

1. СОДЕРЖАНИЕ И ЗНАЧЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Выемка пластов угля и других залежей полезных ископаемых вызывает образование в недрах земли пустот значительных раз­меров. Породы, залегающие в кровле горных выработок, под действием силы тяжести и горного давления приходят в движение, обусловливая развитие процесса сдвижения всей толщи, включая земную поверхность.

В результате сдвижения и деформации толщи горных пород деформируется и нарушается целостность крепи горных вырабо­ток (стволов, квершлагов, околоствольных выработок, штреков), попавших в зону сдвижения. Объекты, расположенные на земной поверхности и также попавшие в зону сдвижения, деформируются, а при неблагоприятных условиях подработки даже разрушаются. Например, в стенах и фундаментах зданий возникают трещины, межэтажные перекрытия теряют устойчивость, наблюдаются пе­рекосы оконных и дверных проемов, происходит отслаивание и падение штукатурки; в подработанных горными работами жезлезных дорогах изменяются уклоны пути, нарушается плотность балласта, происходит разрыв планок, скрепляющих рельсы, вы­брос рельсов; в подземных металлических трубопроводах (газо­проводах, водопроводах) возникают разрывы и смятия; в промыш­ленных объектах может быть нарушена эксплуатация технологи­ческого оборудования (подъемных машин, транспортных кранов, станков, агрегатов); подработанные водоемы могут явиться источ­ником повышенного притока воды в шахты, а иногда и причиной их затопления.

Продолжительные наблюдения за подработкой объектов пока­зали, что при соблюдении определенных условий возможна под­работка объектов без нарушения их нормальной эксплуатации. Такими условиями являются, например: значительная глубина разработки, специально разработанные рациональные способы выемки полезных ископаемых, оборудование объектов перед под­работкой специальными конструктивными мероприятиями и др.

Для обеспечения сохранности объектов и условий их нормаль­ной эксплуатации при неблагоприятных условиях подработки (небольшой глубине, значительной мощности пласта и др.) воз­никает необходимость оставления целиков (невынутых участков полезного ископаемого под объектом), что обусловливает потери промышленных запасов полезных ископаемых.

Правильный и научно обоснованный подход к решению выше­указанных проблем требует знания закономерностей развития процесса сдвижения толщи горных пород и земной поверхности, всестороннего изучения проявлений этого процесса, умения про­изводить расчеты величин сдвижений и деформаций, возникающих как на земной поверхности, так и в объектах, умения при небла­гоприятных условиях выполнять построение предохранительных целиков оптимальных размеров, не допускающих излишних потерь полезного ископаемого.

^ СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

ПРИ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ СДВИЖЕНИЯ ТОЛЩИ

^ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Рис. 1. Эпюры распределения напряжений около подготовительной выработки (по С.Г. Авершину)
Сдвижения и деформации горных пород вокруг подготовитель­ных выработок. Толща горных пород до проведения горных выра­боток находится в условиях естественного напряженного состоя­ния, создаваемого массой горных пород. Давление, приходящееся на единицу площади в нетронутом массиве, обычно приравнивается массе вышележащего столба, т, е. (рис. 1)

где ? – средневзвешенное значе­ние плотности пород, кг/м 3 .

Боковые составляющие верти­кального напряжения ?₁ будут

где – коэффициент бокового распора

После проведения горной выработки в величине ?₁. приходя­щейся на единицу площади, происходит переконцентрация напря­жений в некоторой области массива, прилегающего к выработке. При некотором удалении от сечения выработки величины напря­жений принимают первоначальные значения.

Возрастание напряжений у боковых стенок выработок (эпюра 1) может вызвать раздавливание краев целика и сдвижение горных пород или полезного ископаемого в сторону выработки. При этом максимум напряжений смещается на некоторое расстояние в сторону целика (точки А и В эпюры 2).

Интенсивность развития сдвижения горных пород у подгото­вительных выработок зависит от величины площади сечения выработок, вида крепи, физико-механических свойств пород, окру­жающих горную выработку, выпуска породы при перекреплении и др. Наблюдаются случаи значительного распространения зоны обрушения над выработками, а также пучения и выдавливания пород почвы в выработки.

^ Сдвижение и деформирование горных пород вокруг очистных выработок. Проявление процесса сдвижения и деформирования горных пород над очистными выработками происходит более интенсивно и особенно в лавах большой длины со значительной мощностью разрабатываемого, пласта при управлении кровлей обрушением.

Различают три стадии развития процесса сдвижения: началь­ную (обрушение или прогиб непосредственной кровли), про­межуточную (прогиб всей вышележащей толщи пород) и конеч­ную (сдвижение наносов и земной поверхности).

При значительных глубинах разработок и размерах лав про­цесс сдвижения горных пород проявляется в формах (рис. 2, а) обрушения, т. е. беспорядочного падения породы в виде кусков, глыб и блоков (зона I), прогиба напластований толщи пород в сторону выработанного пространства с образованием трещин и расслоений (зона II), плавного прогиба пород без расслоения (зона III), пучения и поднятия пород почвы в сторону выработан­ного пространства (зона IV). Зона обрушений распространяется вверх по нормали на величину, примерно равную трем-пяти мощностям пласта.

Рис. 2. Общая схема процесса сдвижения толщи горных пород:

а – при пологом падении; б – при крутом падении

При малой вынимаемой мощности пласта, "пучащих" породах почвы, полной или частичной закладке выработанного простран­ства зона обрушения может отсутствовать. Тогда непосредственно над выработанным пространством будет образовываться зона прогиба пород II.

Зоны I и II совместно распространяются вверх от кровли пласта примерно на (35-40)m. где m– мощность вынимаемого пласта. Водоемы, расположенные на земной поверхности, или "старые" затопленные горные выработки, попавшие в эти зоны, могут вызвать затопление действующих горных выработок.

При выемке крутых пластов угля (рис. 2, б), помимо выше­указанных зон, может возникнуть сползание пород почвы в вы­работанное пространство (зона IVa) и образование на земной поверхности "ступенек", трещин, террас.

Сдвижение толщи горных пород в зонах I, II и III вызывает сдвижение насосов и образование мульды сдвижения АЕ (впа­дина на земной поверхности).

Сдвижение наносов, как и коренных пород, может происходить в форме обрушения при малой глубине разработки, равной при­мерно 10-15-кратной мощности пласта, прогиба по вертикали (при значительных глубинах горных работ и пологом залегании пластов), а также прогиба по вертикали (рис. 3) в сочетании с горизонтальным сдвигом их коренными породами в сторону восстания пласта при залегании пород с углом наклона свыше 10°.

Рис. 3. Схема сдвижения толщи наносов

Приближенно зону толщи горных пород, затронутую процес­сом сдвижения от очистной выемки на разрезе по падению пласта, можно определить с помощью углов ?₀. ?₀ (определение углов см. п. 3), а на разрезе по простиранию ?₀. Со стороны восстания и падения пласта к рассмотренным ранее зонам примыкает зона опорного давления V. Она создается в толще горных пород вследствие их зависания при прогибе и передачи части массы зависших пород в качестве дополнительной нагрузки на массив пород и пласт. Наибольшие нагрузки образуются у верхней и нижней границ очистной выработки, что приводит к отжиму пласта (эпюра 2 на рис. 2, а). Зона опорного давления распространяется и на породы почвы вынимаемого пласта.

Рассмотрим несколько подробнее механику сдвижения горных пород над очистной выработкой. Перемещение напластований горных пород кровли пласта начинается с прогиба, расслоений и появления зон повышенных деформаций – растяжений, сжатий (эпюра 3 на рис. 2, а). Когда деформации достигают предельных значений, слои кровли обрушаются, заполняя выработанное про­странство. Они становятся опорой для вышележащих прогибающихся пород зоны II. Если деформации не достигают пре­дельных значений, тогда зона I не возникнет, а будет развиваться зона II, т. е. прогиб с образованием трещин. При значительных размерах очистных выработок прогибающиеся породы в зонах II и III занимают после уплотнения положение, примерно параллель­ное первоначальному, образуя так называемую зону пол­ных с движений. величину которой на разрезе по паде­нию пласта можно определить с помощью углов ?₁. ?₂ (понятие об углах ?₁. ?₂ см. п. 3).

По мере удаления от выработанного пространства вверх по нормали сдвижение пород приобретает более плавный характер, деформации растяжений, сжатий становятся малыми по величине, трещиноватость исчезает, сменяясь прогибом пород без разрыва сплошности и расслоений (зона III).

Следует отметить некоторую условность приведенного выше выделения зон и областей сдвижений. В натуре в зависимости от конкретных горно-геологических условий смена этих зон и их конфигурация не является четкой.

При некоторых условиях горных разработок процесс сдвиже­ния может сравнительно слабо проявиться. Так, при разработке жильных месторождений в крепких кристаллических породах, при камерных системах разработки, например каменных солей, сдвижения земной поверхности почти отсутствуют.

^ 3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПАРАМЕТРЫ,

ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ПРОЦЕСС СДВИЖЕНИЯ

Процесс сдвижения толщи горных пород и земной поверхности характеризуется следующими параметрами: размерами и формой мульды сдвижения; величиной углов граничных, сдвижения, разрывов, полной подработки; величинами лекторов сдвижений, их составляющих (оседания и горизонтального сдвижения), деформациями в мульде сдвижения; общей продолжительностью процесса сдвижения, его отдельных стадий и скоростью оседаний:

^ Мульда сдвижения. При выемке части пласта абгв на значи­тельной глубине (рис. 4, а) процесс сдвижения толщи горных пород достигает земной поверхности, вызывая ее сдвижения и деформацию. Часть земной поверхности АГБВ. подвергшаяся сдвижениям и деформациям, называется мульдой сдви­жения. В мульде сдвижения принято выделить два главных сечения, проходящих через точку максимального оседания по простиранию (линия АБ ) и вкрест простирания пласта (линия ВГ ). В этих сечениях параметры процесса сдвижения после его зату­хания достигают максимальных значений, а векторы смещения точек мульды и их составляющие примерно совпадают с этими плоскостями.

Рис. 304. Мульда сдвижений и ее разрезы:

а – при выемке наклонного пласта; 1 – гра­ница опасных сдвижений; 2 – граница мульды сдвижения; 3 – выработанная площадь

В мульде сдвижения (ее сечениях) различают зоны:

а) обрушения – часть мульды, где на земной поверх­ности происходит образование воронок, провалов, трещин и тер­рас (за границу этой зоны условно принимают контур, ограничен­ный трещинами шириной не менее 25 см);

б) трещин – где происходит разрыв сплошности земной поверхности и образуются трещины (за ее внешнюю границу при­нимают контур крайних хорошо различимых трещин);

в) плавных сдвижений – где земная поверхность подверглась сдвижению без разрыва сплошности;

г) "опасных" сдвижений – где возникают дефор­мации, опасные для зданий и сооружений.

В плавной мульде сдвижения различают ее края (АЕ и БК ) и дно КЕ. Мульда сдвижения может иметь как вогнутое дно КЕ (рис. 4, а), так и плоское ЕК (рис. 4, б).

Рис. 304. Мульда сдвижений и ее разрезы:

б – при выемке горизонтального пласта; 1 – гра­ница опасных сдвижений; 2 – граница мульды сдвижения; 3 – выработанная площадь

Если размеры выработанного пространства на разрезах по простиранию или по падению пласта значительно превышают глубину разработки, то мульда сдвижения имеет плоское дно. Такой случай подработки принято называть полной под­работкой. Степень подработки земной поверхности харак­теризуют коэффициентом подработанности

где ^ Д – фактическая длина выработки; Д₀ – минимальная длина выработки, при которой возникает полная подработка земной поверхности.

Форма и размеры мульды сдвижения, а также ее расположение относительно выработанного пространства зависят от мощности пласта, угла наклона пласта, размеров выработанного простран­ства и глубины его залегания.

Площадь мульды сдвижения в проекции на горизонтальную плоскость всегда больше такой же проекции выработанного пространства. При горизонтальном залегании пластов границы мульды сдвижения на плане располагаются симметрично по отношению к выработанному пространству. Мульда имеет плавные края. Точка максимального оседания или плоское дно мульды находятся над центром выработанной части пласта (рис. 4, б).

При выемке наклонных и крутых пластов угля (рис. 4, а) граница мульды сдвижения со стороны падения пласта смещается в сторону наклона пласта на значительное расстояние от нижней границы очистной выемки. В этом случае проекция мульды сдви­жения на горизонтальную плоскость располагается асимметрично по отношению к проекции выработанного пространства на ту же

плоскость. Точка максимального оседания смещается в сторону падения пласта. При крутом падении пласта точка максимального оседания находится примерно над нижней границей очистной выработки. При выемке крутых пластов большой мощности на небольшой глубине с обрушением пород кровли большую часть мульды сдвижения занимают провалы, воронки, террасы и трещины. Плавная часть мульды сдвижения возникает только по краям и имеет небольшие размеры (см. рис, 2, б).

^ Углы граничные, сдвижения разрывов и полной подработки. Граничные углы ?₀. ?₀₁. ?₀ и ?₀ – это внешние относительно выработанного пространства углы на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения, образованные горизон­тальными линиями и линиями, соединяющими границы выработанного пространства с граничными точками мульды сдвижения. Граничными точками мульды сдвижения принимаются точки, за пределами которых в сторону неотработанной части пласта рас­тяжения и наклоны не превышают величины 0,5·10 -3 .

Рис. 5. Схема расположения угловых параметров при крутом па­дении пласта

С помощью граничных углов ?₀. ?₀ определяют размеры мульды сдвижения на разрезе по падению пласта, а с помощью угла ?₀ – по простиранию пласта (рис. 4, а). Угол ?₀ ограничивает зону сдвижения у нижней границы выработанного пространства в по­родах кровли, угол ?₀₁ – у нижней границы, но в породах почвы при крутом падении (рис. 5), угол ?₀ – у верхней границы вы­работанного пространства. Граничные углы используются также при построении целиков под глубокие вертикальные стволы.

В мульде сдвижения принято выделять зону опасных сдвижений. На разрезе вкрест простирания опасную зону сдвижения выделяют с помощью углов сдвижения ?, ?₁ и ?, на разрезе по простиранию – с помощью угла ?.

Углы сдвижения ?, ?₁. ? и ? – внешние относительно выра­ботанного пространства углы, образованные горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы выработки с точками мульды сдвижения, за пределами которых (в сторону не­отработанных частей пласта) величины деформаций не достигают опасных для ответственных зданий. Опасными, или критическими, величинами деформаций принято считать: для наклонов 4·10 -3. растяжений (сжатий) 2· 10-3. кривизны 0,2- 10-3 1/м.

Углы сдвижения при построениях отсчитывают от горизон­тальной линии со стороны неотработанной части пласта в сто­рону выработанного пространства; и откладывают: ? – у нижней границы очистной выемки в породах кровли пласта, ?₁ – у нижней границы очистной выработки в породах почвы пласта в условиях крутого падения, когда ? > ?_п (где ?_п – предельное значение угла наклона ?, при котором возникает сползание пород почвы пласта), ? – у верхней границы очистной выемки и ? – по про­стиранию пласта. Углы сдвижения используются также для по­строения предохранительных целиков.

При незначительных глубинах горных пород, большой мощ­ности вынимаемых пластов крутого залегания в мульде сдвижения образуются провалы, террасы, трещины, составляющие зону обрушения. Границы зоны обрушения определяются с помощью углов разрывов ?", ?₁ ", ?" и ?". Углы разрывов, так же как и углы сдвижения, – внешние относительно выработанного простран­ства углы, образованные горизонтальными линиями и линиями. соединяющими границы очистной выработки на разрезах вкрест простирания и по простиранию пласта с крайними трещинами на краях мульды сдвижения.

Углы разрывов строят у границ выработок аналогично по­строению углов сдвижения. Углы разрывов используют также для построения 'предохранительных целиков под водоемы.

Кроме перечисленных трех углов (граничных, сдвижения и разрывов) для определения местоположения характерных точек в главных сечениях мульды пользуются еще углами ?, ?₁. ?₂. ?₃. Угол ? определяет на разрезах при неполной подработке земной поверхности точку в мульде с максимальным оседанием. На рис. 4, а, б показано получение таких точек по главным сечениям мульды, для чего из середины очистных выработок отложены величины углов ? от линии горизонта (на разрезе вкрест простирания со стороны падения пласта) и проведены линии до пересечения с линией земной поверхности – точки «о».

?₁. ?₂. ?₃ – углы полной подработки (полных сдвижений) – это внутренние относительно выработанного пространства углы, образованные линиями, соединяющими границы плоского дна мульды с границами очистной выработки и плоскостью пласта в главных сечениях мульды. С помощью углов ?₁. ?₂ определяют размер плоского дна мульды на разрезе по падению пласта. При этом угол ?₁ откладывается у нижней границы очистной выра­ботки, ?₁ – у верхней, а с помощью угла ?₃ – на разрезе по простиранию пласта. Если линии, проведенные под углами ?₁. ?₂ на разрезе по падению и ?₃ на разрезе по простиранию, пересекутся ниже земной поверхности, то в мульде будет отсутствовать плоское дно.

Величины рассмотренных нами углов, зависят главным обра­зом от угла наклона пласта, физико-механических свойств горных пород и ранее проведенных горных работ (подработанности толщи). Значения угловых параметров для различных угольных бассейнов страны, полученные инструментальными наблюдениями, приво­дятся в «Правилах охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на уголь­ных месторождениях» (в дальнейшем будем называть «Правилами охраны») и «Справочнике по маркшейдерскому делу» (в дальней­шем будем называть «Справочник»).

^ Деформации в главных сечениях мульды сдвижения. Наблюде­ния за сдвижением отдельных точек мульды показали, что их перемещения происходят по сложным траекториям и векторам. Полный вектор смещения отдельных точек мульды сдвижения может быть разложен на три составляющие: вертикальную ?, горизонтальную ? и перпендикулярную к плоскости сечения ?. Последняя составляющая в главных сечениях мала по величине и практически редко используется.

Рис. 6. Деформации мульды сдвижения

Возьмем на участке земной поверхности до его подработки точки 1,2, 3, 4 (рис. 6). После подработки и затухания процесса сдвижения эти точки займут положения 2', 3', 4'. Тогда отрезки 2–2'. 3–3' и 4–4' и будут векторами сдвижения соответству­ющих точек мульды, а ?₂. ?₃. ?₄ –вертикальными (оседания) и ?₂. ?₃. ?₄ – горизонтальными (сдвижения) составляющими этих векторов.

По своей величине векторы сдвижения для различных точек мульды не одинаковы. Вследствие этого и составляющие векторов оседания и горизонтальных сдвижений в разных точках будут иметь разную величину.

Неравномерность распределения величин ? и ? в различных точках мульды сдвижения приводит к появлению вертикальных деформаций наклонов i и кривизны К и горизонтальных растя­жений, сжатий ?.

Рассмотрим вертикальные деформации. Неравномерность осе­даний точек мульды сдвижения создает различные наклоны ее отдельных участков. Наклон интервала между точками 2–3 вы­ражается в относительной мере и определяется из выражения

Получаемое значение наклона i_2-3 является средним значе­нием для отрезка 2–3. поэтому относится к середине интервала. Наклон i_2-3 равен также тангенсу угла наклона касательной к кривой оседания в точке A. т. е. характеризуется еще как про­изводная от функции оседаний ? = f (х ). Наклоны в сторону восстания пласта и по простиранию принимаются положитель­ными, в сторону падения и в противоположную сторону прости­рания – отрицательными.

Неравномерность наклонов отдельных участков мульды при­водит к образованию кривизны ^ К. На рис. 6 для интервалов 2–3 и 3–4 разность углов наклона ?i для касательных, прове­денных к середине интервалов в точках А и В. будет равна

Средняя кривизна (1/м) в точке 3' определяется из выражения

Радиус кривизны, (м) в точке 3'

Кривизна является первой производной функции наклонов или второй производной функции оседаний .

На участках мульды с выпуклостью, обращенной вверх, кри­визна и радиус кривизны считаются положительными, на уча­стках с выпуклостью, обращенной вниз, – отрицательными.

Перейдем к рассмотрению горизонтальных деформаций. Вслед­ствие невертикальности оседаний точек мульды сдвижения воз­никают их горизонтальные сдвижения, которые по своей величине неодинаковы. Горизонтальные расстояния между точками мульды сдвижения могут уменьшаться или увеличиваться. В первом случае рассматриваемый интервал мульды претерпел деформацию сжатия, во втором – растяжения. Сжатия наблюдаются в сред­ней части мульды и обозначаются знаком минус, растяжения – на ее краях и обозначаются знаком плюс. Величина горизон­тальной деформации выражается в относительной мере и опре­деляется, например, для интервала 2–3 из выражения

где l_2-3 и l_2'-3' –горизонтальные расстояния между двумя со­седними точками до и после их подработки, м.

Величины ?, так же как и наклоны i. являются средними, поэтому относятся к точке середины интервала. Горизонтальные деформации являются производными от горизонтальных сдвижений.

Необходимо отметить, что равномерные оседания и горизон­тальные сдвижения не всегда являются опасными. Более опас­ными являются деформации i. К и ?. Так, наклоны i наиболее опасны для высоких объектов с малой площадью основания (теле­вышки, дымогорные трубы, водонапорные башни), горизонталь­ные деформации опасны для трубопроводов и железных дорог, а кривизна – для зданий больших размеров и т. д.

Вид графиков распределения сдвижений и деформаций в мульде сдвижения зависит от многих горно-геологических факторов. Главными из них являются мощность пласта, глубина разработки, угол наклона пласта, физико-механические свойства толщи пород, системы разработки и др.

В результате продолжительных натурных и лабораторных исследований процесса сдвижения, были составлены осредненные графики сдвижений и деформаций в зависимости. от величины угла а наклона пласта. На рис. 7, б представлены графики ?, ?, i. К и ? на разрезе по простиранию пласта (и горизонтальном залегании) при полной подработке земной поверхности. На рис. 7, а показаны графики тех же величий, но при наклонном залегании пласта и при неполной подработке земной поверхности.

При горизонтальном залегании пласта (а также на разрезе по простиранию) графики распределения ?, ?, i. К. ? имеют симметричный вид в отношении точки максимального оседания или границ плоского дна мульды (при полной подработке). В точке перегиба кривой оседаний Е (Е '), расположенной при­мерно над границей выработки, величины К и ? равны нулю, а наклоны и горизонтальные сдвижения имеют максимальное значение.

Максимальные положительные величины ? и К находятся в середине между точками перегиба кривой оседаний (точка Е ) и краем мульды сдвижения. Плоское дно мульды сдвижения или точка с максимальным оседанием находится над центром выра­ботки. В плоском дне мульды отсутствуют горизонтальные сдвижения, вертикальные и горизонтальные деформации. При непол­ной подработке максимальные отрицательные величины ? и К находятся в центральной части мульды, а точка максимального оседания совпадает с точкой нулевых значений. При пологом залегании пласта и неполной разработке на разрезе вкрест про­стирания пласта мульда имеет асимметричную форму вследствие смещения ее границы по падению пласта в сторону его наклона. Точка максимального оседания и перегиба кривой ? также сме­щается в сторону наклона пласта. Точка нулевых значений ? не совпадает с точкой максимального оседания.

Рис. 7. Кривые смещений и деформаций мульды сдвижения:

а – при неполной подработке; б – при полной подра­ботке; 1 – вертикальные оседания; 2 – горизонтальные сдвижения; 3 – наклоны; 4 – кривизна; 5 – горизон­тальные деформации (растяжения, сжатия)

С увеличением угла наклона пласта точка максимального оседания приближается к нижней границе выработки. Размеры зоны положительных горизонтальных сдвижений и горизонталь­ных деформаций со стороны падения пласта значительно превы­шают размеры этих зон со стороны восстания пласта. Величина максимальных значений ? в 1,3–1,5 раза превышает величину максимального оседания.

При крутом падении пластов и незначительной глубине работ на земной поверхности возможно появление трещин и провалов. Зона плавных сдвижений и деформаций в этих случаях имеет не­большие размеры у краев мульды.

^ Общая продолжительность процесса сдвижения. и периода опасных деформаций. Под общей продолжительностью процесса сдвижения земной поверхности под влиянием торных разработок считают период, в течение которого в зоне и мульде сдвижения наблюдаются сдвижения и деформации. За начало процесса сдви­жения принимается время, когда оседания точек в мульде дости­гают 15 мм (больше погрешности измерений).

Процесс сдвижения считается законченным тогда, когда оседа­ние точек в мульде за последние шесть месяцев не превышает величины 30 мм. Значение величины общей продолжительности процесса сдвижения дает возможность правильно определять сроки застройки подработанных площадей, намечать сроки начала капитального ремонта зданий после их подработки и др. Сдвиже-ние земной поверхности во времени протекает неравномерно, в связи с чем различают начальную стадию, актив­ную и стадию затухания. Активная стадия процесса сдвижения характеризуется значительными скоростями оседаний точек земной поверхности (при пологом падении более 50 мм, а при крутом более 30 мм в месяц). На период этой стадии про­цесса приходится 85–90% всей величины общего оседания точек земной поверхности и развития максимальных значений деформа­ций. В связи с этим в период активной стадии должны произво­диться усиленные наблюдения и контроль за состоянием подра­батываемых сооружений. Общая продолжительность процесса сдвижения и ее активной стадии весьма различна для отдельных угольных бассейнов. Установлено, что она зависит от многих факторов, в том числе глубины разработки, мощности вынимаемых пластов, скорости подвигания очистных работ.

^ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАЗВИТИЕ ПРОЦЕССА

СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Сдвижение толщи горных пород и земной, поверхности, вы­званное подземными горными разработками, зависит от многих факторов, основными из них являются: физико-механические свойства горных пород, геологическое строение толщи, гидрогео­логические условия, тектонические нарушения (сбросы, трещины, складчатость), мощность залежи, глубина разработки, система разработки (размеры очистных выработок, полнота выемки, управление кровлей), скорость подвигания очистных работ, нарушенность толщи ранее проведенными горными выработками, мощность наносов, рельеф земной поверхности. Учитывая тесную связь между отдельными факторами в характере влияния на процесс сдвижения, будем рассматривать некоторые из них совместно.

^ Основными физико-механическими свой­ствами горных пород являются: прочность, сопротив­ление деформациям растяжения, сжатия, изгиба. Песчаники, известняки, и другие горные породы, обладая этими свойствами и слагая толщу вмещающих угольные пласты пород, способствуют развитию процесса обрушения, особенно когда составляют непо­средственную кровлю пласта.

В слабых породах с пластическими свойствами (аргиллиты, глины) процесс сдвижения протекает более плавно в форме про­гиба. Крепкие сцементированные породы, слагающие толщу значительной мощности, способствуют появлению явлений зави­сания пород, увеличению продолжительности процесса сдвижения и зон опорного давления, а при повторных подработках – акти­визации процесса сдвижения. При прочих равных условиях величина оседаний будет меньше, если в толще преобладают крепкие породы, и больше, если толщу слагают слабые породы с пластическими свойствами. Соответственно углы сдвижения в первом случае будут более крутыми, во втором – более поло­гими (меньшими по величине). Чередуемость пород в толще ска­зывается на проявлении процесса сдвижения на земной поверх­ности. Если породы непосредственной кровли пласта крепкие и значительной мощности, а выше залегают породы с пластическими свойствами, тогда до земной поверхности не будут распростра­няться трещины, возникающие при обрушении непосредственной кровли, и наоборот, крепкие породы, залегающие в непосред­ственной близости от наносов, будут способствовать проявлению трещин. При крутом падении пород чередуемость слабых пород с крепкими способствует явлению сползания, подвижек пород и появлению на земной поверхности ступенек, трещин.

Обводненность толщи пород способствует увеличению пласти­ческих свойств пород, следовательно, сдвижению пород в форме прогиба и выполаживанию углов сдвижения. Дренирование вод горными работами дополнительно увеличивает величину оседания.

^ Тектонические нарушения – трещиноватость, плоскости сбросов, представляющие собой поверхности ослабле­ния массива горных пород, могут существенно оказывать влияние на развитие процесса сдвижения и величину углов сдвижения. Вдоль этих поверхностей часто развивается процесс сдвижения, а это ведет к искажению величин углов сдвижения. При выходе под наносы тектонические нарушения и сбросы могут способство­вать появлению на земной поверхности (в мульде) трещин, раз­рывов, ступенек. Часто тектонические нарушения являются при­чиной дополнительных притоков воды в горные выработки из подрабатываемых водоемов.

^ Угол падения пласта ?, как уже отмечалось в пре­дыдущем параграфе, оказывает большое влияние на форму и раз­меры мульды сдвижения, вид графиков сдвижений и деформаций, величины углов сдвижения, разрыва, полной подработки, оседа­ний и горизонтальных сдвижений. Между величиной угла ? и пере­численными параметрами существует тесная связь, поэтому угол падения является одним из основных факторов в развитии про­цесса сдвижения.

^ Вынимаемая мощность пластаm и глубина разработкиН являются наиболее важными факторами, влия­ющими на развитие процесса сдвижения. От мощности пласта зависит интенсивность развития процесса сдвижения, его форма, величина оседания. При прочих равных условиях чем больше мощность пласта, тем больше величина оседаний и деформаций, больше размеры зоны обрушений и нормально секущих трещин.

Чем больше глубина разработки, тем меньше величины сдвижений и деформаций, но тем больше размеры мульды сдвижения и продолжительность процесса сдвижеиия.

^ Система разработки влияет на процесс сдвижения размерами очистных выработок, величиной оставляемых целиков, способов управления кровлей.

Сплошные системы разработки с большими размерами лав, малыми размерами межлавных целиков, а также с управлением кровли частичной закладкой способствуют равномерному, плав­ному развитию процесса сдвижения и образованию в мульде сдвижения плоского дна. Значительные по размерам межлавные целики при незначительных глубинах разработки, а также си­стемы длинных столбов по простиранию могут вызвать неравно­мерность оседаний, а иногда и разломы в вышележащей толще.

Применение полной закладки является наиболее радикальным средством снижения величин оседаний и деформаций. Частичная закладка выработанного пространства существенного влияния на величину оседаний не оказывает, но способствует развитию плав­ных сдвижений.

^ Скорость подвигания очистных забоев. Наблюдениями установлено, что равномерное подвигание забоя обусловливает и более равномерное протекание сдвижений. Вели­чина угла ? (сдвижения) и край мульды сдвижения в сторону дви­жения забоя получаются несколько более пологими, чем над раз­резной печью. Скорость протекания сдвижений при малой и сред­ней глубине разработки при прочих равных условиях связана прямой зависимостью со скоростью подвигания забоев. При боль­ших глубинах работ скорость подвигания мало сказывается на скорости развития процесса сдвижения.

^ Нарушенность толщи пород ранее проведен­ными горными работами, существенно отражается на развитии процесса сдвижения при повторных ее подработках. В этих слу­чаях процесс сдвижения как бы активизируется. Параметры, ха­рактеризующие процесс сдвижения, отличаются от параметров при первичной подработке. Так, величины оседания и деформации получаются несколько большими благодаря ликвидации зависаний пород после первичной подработки, углы сдвижения меньшими (примерно на 5°), продолжительность процесса сдвижения сокра­щается.

^ Мощность наносов. Значительные по мощности на­носы смягчают неравномерность сдвижений и деформаций, умень­шают вероятность появления трещин в мульде сдвижения. Углы сдвижения в наносах более пологие, чем в коренных породах при горизонтальном залегании пластов. Подработка сооружений (особенно водоемов) проходит более благоприятно при значитель­ной мощности наносов.

^ Рельеф местности сказывается на развитии про­цесса сдвижения земной поверхности, особенно при подработке крутых склонов в холмистых районах. В этих случаях на крутых склонах появляются так называемые заколы, т. е. резко выражен­ные глубокие трещины. Заколы отделяют нижнюю часть склона от верхней, причем нижняя часть получает значительное смещение.