В.К.Багазеев Основы горной геомеханики. Курс лекций Екатеринбург, 2021 удк 622. 831 Рецензенты Зотеев О. В. Вандышев А. М
 Скачать 4.36 Mb.
|
|
Часть породного массива, подвергающуюся сдвижению под влиянием горных разработок, принято называть областью сдвижения горных пород, а соответствующую часть земной поверхности – мульдой сдвижения. Сдвижение пород начинается обычно с прогиба кровли выработок, пройденных по пласту или залежи полезного ископаемого. По мере увеличения площади выработанного пространства прогиб пород растет, в сдвижение вовлекается все большее число слоев, происходит сдвиг пород по плоскостям напластования, в толще появляются секущие трещины и трещины расслоения, при этом слои непосредственной кровли разбиваются обычно на отдельные блоки и обрушаются (рис. 6.1). В зоне I (зоне обрушения) (см. рис. 6.1), расположенной непосредственно над очистной выработкой, породы наиболее деформированы и разделены на отдельные куски и мелкие блоки. В практике горного дела высоту этой зоны  Рис. 6.1. Схема сдвижения пород при пологом падении пласта: 1 – мульда сдвижения; 2, 3 – эпюры давления; I – V – зоны; I – обрушения; II– прогиба с трещинами; III – плавного прогиба; IV – пучения; V – опорного давления Принимают равной 3…6 m, где m – вынимаемая мощность пласта. Для расчета высоты зоны обрушения рекомендуется формула С. Г. Авершина  где  – угол падения пласта, град;  – коэффициент разрыхления пород.Зона II – зона прогиба напластований толщи пород с образованием трещин и расслоений. Зона III – плавного прогиба без расслоения. Зона IV – зона пучения и поднятия почвы в сторону выработанного пространства. При малой вынимаемой мощности пласта, «пучащих» породах почвы пласта полной или частичной закладке выработанного пространства зона обрушения I может отсутствовать. Тогда непосредственно над выработанным пространством будет образовываться зона прогиба пород II. Зона 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. Со стороны восстания и падения пласта к рассмотренным 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. 6.1). Зона опорного давления распространяется и на породы почвы вынимаемого пласта. При выемке крутопадающих пластов иное размещение зон сдвижения (рис. 6.2), кроме того возможно сдвижение в почве ведения работ (зона IV а).  Рис. 6.2. Схема сдвижения при крутом падении пласта: 4 – обрушенная порода; 5 – разломы; 6 - террасы К мульде сдвижения относится участок поверхности с понижением 5 – 15 мм и более. Выделяют 3 зоны мульды: 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 зависимости от соотношения размеров выработанного пространства и глубины разработки различают полную и неполную подработку поверхности. При полной подработке на поверхности образуется мульда с плоским дном, т. е. с участком одинаковой величины оседания  (греч. – эта). При неполной подработке такого участка нет, а максимальная глубина оседания обозначается  . Границы мульды сдвижения определяются граничными углами. Это внешние относительно выработанного пространства углы, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды горизонтальной линией и линиями, соединяющими границы выработанного пространства с граничными точками области сдвижения. Различают граничные углы по простиранию  , по падению  и по восстанию  пласта или залежи. Углы, образованные горизонтальными линиями, соединяющими границы горных работ и внешние границы зоны опасных деформаций, носят название углов сдвижения. Определяют их также, как и граничные углы (на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения). Подобно граничным углам они обозначаются соответственно  – по простиранию,  – по падению и  – по восстанию залежи. Различают углы сдвижения в коренных породах ( и в наносах ( ). В мульде сдвижения принято выделить два главных сечения, проходящих через точку максимального оседания по простиранию (рис. 6.3. б) и вкрест простирания пласта (рис. 6.3. а). 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. 6.3. Главные сечения мульды сдвижения при неполной подработке: а – вкрест простирания, б – по простиранию, 1– рудное тело; 2 – выработанное пространство; 3 – мульда сдвижения; 4 – дневная поверхность до подработки; 5 – границы рыхлых отложений (выветрелых пород); a – угол падения рудного тела;  – граничные углы мульды сдвижения;  – угол максимального оседания; – максимальное оседание при неполной подработке  Рис. 6.4. Главные сечения мульды сдвижения при полной подработке:  – углы сдвижения в коренных породах;  – углы полных сдвижений; МN – участок мульды с плоским дном;  – полумульдыВ мульде сдвижения различают полумульду сдвижений по падению пласта  и полумульду сдвижения по восстанию пласта  . Границы плоского дна определяются углами полных сдвижений –  . При неполной подработке положение точки, имеющей максимальное оседание, определяется углом максимального оседания . 6.2. 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 , углами полных сдвижений и углом максимального оседания . Граничные углы и зависят главным образом от механических свойств горных пород (чем породы прочнее, тем круче эти углы) и при первичной подработке толщи меняются от 50° (Ангренское угольное месторождение) до 75° (Донецкий бассейн). При повторных отработках толщи эти углы обычно выполаживаются. Так, в Карагандинском угольном бассейне угол выполаживается с 60 до 55°, в Кузнецком – с 70 до 60°, а в особо неблагоприятных случаях – до 50°. В Донецком бассейне повторная подработка толщи пород вызывает уменьшение угла на 0,2 , где – угол падения пластов.Угол является в основном функцией углов и . При углах падения пластов до 70 ° его можно выразить зависимостью  .Коэффициент  зависит от свойств горных пород, степени подработанности толщи, структурных и других особенностей массива. Его устанавливают опытным путем. Значения коэффициентов для главнейших угольных бассейнов приводятся в нормативных документах. Минимальное значение угла в неподработанной ранее толще большинстве месторождений равно 25°, в подработанной ранее – 20°. Значение угла полных сдвижений в направлении простирания пластов, а при горизонтальном залегании во всех направлениях колеблется от 50° (Кизеловский и Кузнецкий бассейны) до 60° (Челябинский бассейн). В Донецком, Карагандинском и Львовско-Волынском бассейнах  .Угол  примерно равен углу , а угол  . Угол максимального оседания равен  Значения коэффициента  – от 0,5 до 1,0 (чем прочнее породы, тем больше при прочих равных условиях). Максимальное оседание рассчитывается по формуле   – глубина разработки, м – эквивалентный пролет выработанного пространства, м;  – коэффициент крепости пород.Углы сдвижения пород принимаются в основном по данным практики в пределах 30 – 50° в слабых породах и в крепких 50 – 80° (табл. 7). Таблица 7 Углы сдвижения пород
Значения табл. 7 аппроксимированы формулами: - для пологих залежей (до 15°)  - для крутопадающих (a >   (6.4)но не более 60  при  , и не более 65 при  Для определения безопасного расстояния поверхностных сооружений вокруг границ опасной зоны наносят предохранительную берму шириной от 10-20 м и до 50-60 м в зависимости от категории охраняемого объекта. Существует понятие безопасной глубины производства горных работ (по критерию сдвижения поверхности), начиная с которой сдвижение над выработанным пространством не достигает поверхности. Безопасную глубину определяют по вертикали умножением мощности разрабатываемого пласта на коэффициент безопасности. Величина коэффициента безопасности (40-60) до 300-500. Общей продолжительностью процесса сдвижения принято называть период, в течение которого земная поверхность над выработанным пространством находится в состоянии сдвижения. Она делится на три стадии: начальную, интенсивную и затухания. Начальная стадия занимает около 30% общей продолжительности процесса сдвижения. Оседание земной поверхности за этот период достигает 0,15 . Интенсивная стадия начинается при подходе забоя непосредственно под рассматриваемую точку. Она занимает около 40% общей продолжительности процесса сдвижения. За этот период земная поверхность оседает до 0,7 .Стадия затухания охватывает период, равный примерно 30 % общей продолжительности процесса сдвижения. Заканчивается эта стадия, как правило, при отходе забоя от рассматриваемой точки на расстояние (1,2-1,4) H, где H – глубина выработки от поверхности. 6.3. Факторы, влияющие на процесс сдвижения Все факторы, влияющие на процесс сдвижения, можно разделить на заданные и регулируемые. К числу заданных относятся следующие факторы: угол падения пласта, глубина горных работ, ФМС и структурные особенности горных пород, нарушенность породного массива, рельеф местности и гидрогеологические условия. Угол падения пласта является одним из основных факторов, определяющих угловые параметры процесса сдвижения и распределения деформаций в мульде. Чем больше угол падения пород, тем положе углы  и . При достаточно крутых углах падения происходит сползание пород лежачего бока и резкое выполаживание угла . С увеличением угла падения пластов возрастает отношение горизонтальных сдвижений к вертикальным. Так, если при пологом залегании пластов горизонтальная составляющая сдвижения обычно не превышает половины вертикальной, то при угле падения 45° они равны, а при 65° горизонтальная составляющая почти в два раза больше вертикальной. При небольших углах падения пластов (до 5°) мульда сдвижения симметрична относительно плоскости, проведенной через точку максимального оседания параллельно простиранию пластов. По мере увеличения угла падения эта симметричность нарушается и при углах от 45 до 70° в полумульде по падению наблюдается только растяжение, а в полумульде по восстанию – только сжатие земной поверхности. При углах падения свыше 70° симметричность начинает постепенно восстанавливаться и при угле 90 мульда сдвижения снова имеет симметричный вид. Глубина горных работ оказывает существенное влияние на деформации земной поверхности, характер и степень деформирования в толще. С увеличением глубины разработки все виды деформаций земной поверхности уменьшаются. Особенно чувствительна к этому фактору кривизна, она обратно пропорциональна квадрату глубины разработки. В то же время с увеличением глубины разработки размеры зон опорного давления пропорционально увеличиваются, концентрация деформаций и напряжений повышается. Механические свойства и структурные особенности горных пород оказывают влияние на все параметры и показатели процесса сдвижения. Наиболее тесная зависимость от этого фактора прослеживается в значениях углов сдвижения . Нарушенность породного массива является важным фактором, от которого зависят как значения деформаций, так и характер их распределения в мульде сдвижения. Нарушенность в массиве возникает под влиянием геологических и техногенных процессов. Так, при попадании природной (потенциальной) поверхности ослабления в зону растяжений, вызванных влиянием горных работ, образуется тектонико-техногенная трещина. Последующие горные работы будут вызывать концентрацию деформаций у этой трещины, даже если они будут вестись на значительном расстоянии от нее. Деформации на выходах тектонических трещин крутого падения на земную поверхность в несколько раз (иногда на порядок) больше, чем в обычных условиях. Тектонические трещины, подсеченные горными работами, нередко бывают причиной прорыва воды в шахту. Рельеф местности и гидрогеологические условия оказывают большое влияние на характер и последствия процесса сдвижения горных пород. При гористом рельефе, особенно в условиях значительного обводнения пород, горные работы нередко вызывают оползни. В гористой местности резче проявляется концентрация деформаций на выходах на поверхность различных плоскостей ослабления породного массива. К регулируемым факторам, влияющим на процесс сдвижения, относятся: вынимаемая мощность пласта (залежи) и способ управления кровлей; размеры выработанного пространства, скорость продвигания очистной выемки, порядок ведения горных работ и взаимное расположение выработок. Вынимаемая мощность пласта (залежи) и способ управления кровлей относятся к числу основных факторов, определяющих высоту распространения зон сдвижения и значения деформаций горных пород и земной поверхности, поскольку посредством этих факторов регулируют осадку кровли. Установлено, что максимальные значения оседаний, деформаций и скоростей сдвижения находятся в прямой пропорциональной зависимости от вынимаемой мощности пласта (залежи). В то же время угловые параметры, за исключением углов сдвижения, от вынимаемой мощности практически не зависят. При увеличении вынимаемой мощности углы сдвижения несколько выполаживаются. Уменьшение вынимаемой мощности достигается путем неполной выемки (оставления отдельных прослойков и пачек) или путем закладки выработанного пространства породой, доставляемой извне. Частичная закладка, осуществляемая породой из слоев кровли или почвы пласта на разрабатываемом участке, при глубинах разработки свыше 100 м существенного влияния на деформации не оказывает. При глубинах менее 100 м значения оседаний и деформаций при частичной закладке породой из бутовых штреков на 10-12 % меньше, чем при управлении кровлей способом обрушения. Размеры выработанного пространства оказывают (до определенного предела) существенное влияние на оседания и абсолютные сдвижения и в меньшей степени – на относительные деформации. В условиях полной подработки изменение размеров выработанного пространства не оказывает влияния ни на значения сдвижения и деформаций, ни на характер процесса сдвижения. Существенного влияния размеров выработанного пространства на угловые параметры процесса сдвижения также не замечено. Скорость подвигания очистной выработки в значительной мере определяет продолжительность отдельных стадий процесса сдвижения, что существенно при подработке объектов, в эксплуатации которых имеются перерывы. Особенно важно знать продолжительность и скорость процесса сдвижения при установлении сроков и частоты ремонта подрабатываемых железнодорожных путей. Порядок ведения горных работ и взаимное расположение выработок существенно влияют на параметры и характер процесса сдвижения. Первая очистная выработка изменяет напряженное состояние толщи горных пород, вызывает образование в ней зон повышенных и пониженных напряжений, секущих трещин и полостей расслоения. В зависимости от того, в какие зоны попадают последующие очистные выработки, угловые параметры могут быть круче или положе, значения деформаций больше или меньше обычных и т. д. При расположении границ выработок в свите пластов примерно в одной вертикальной плоскости края мульды сдвижения получаются наиболее крутыми с максимальным развитием деформаций. Чем больше смещены границы выработок, тем положе края мульды сдвижения и меньше деформации. При определенном взаимном расположении очистных выработок на отдельных участках может происходить компенсация растяжений, вызванных одной выработкой, сжатиями от другой, кривизны выпуклости – кривизной вогнутости, положительного наклона – отрицательным и т. д. Разрыв во времени между отработкой пластов определяет интенсивность процесса сдвижения: чем меньше этот разрыв, тем более бурно протекает процесс. Целики в выработанном пространстве заметно влияют на распределение деформаций в мульде сдвижения. При оптимальном соотношении целиков и камер деформации горных пород могут не проявиться на земной поверхности, и, наоборот, при неудачном соотношении над целиками происходит концентрация деформаций. 6.4. Общие сведения о методах расчета сдвижения земной поверхности В зависимости от полноты исходных данных и получаемых результатов существующие методики расчета можно условно разделить на полные и сокращенные или, как их часто называют, упрощенные. Полными методиками расчета определяются ожидаемые значения деформации, упрощенными – вероятные их значения. Исходными данными при всех методиках расчета являются мощность, глубина залегания и угол падения разрабатываемых пластов. В инженерной практике используются в основном эмпирические и полуэмпирические методы расчета. Эмпирические методы базируются на зависимостях, полученных непосредственно из результатов инструментальных наблюдений в натурных условиях, полуэмпирические – на зависимостях, установленных на основании обобщений, теоретических соображений и математических аналогий, числовые значения параметров в которых определяются по данным натурных наблюдений. Четкую грань между этими методами провести очень сложно, особенно для полуэмпирических методов. Границы зоны сдвижения определяются графоаналитическим построением. Для этого на главных сечениях мульды сдвижения вкрест и вдоль простирания наносят углы и линии сдвижения от нижней границы очистных работ. Затем на плане – контур зоны сдвижения. Определение границ опасной зоны при разработке рудного месторождения рассмотрим на примере: Определить границы опасной зоны (зоны сдвижения пород) при разработке рудного месторождения. Горнотехнические параметры месторождения: - мощность наносов  - мощность покрывающих пород  (глубина верхней границы месторождения –  - глубина нижней границы месторождения (разведанная глубина)  - длина шахтного поля по простиранию S = 2000 м; - угол падения = 50°; - длина (наклонная) по падению H = 1090 м; - нормальная мощность m = 15 м; - коэффициент крепости пород f = 12. Система разработки – с подэтажным обрушением руды и вмещающих пород и донным выпуском. Решение. Строим разрез по месторождению вкрест простирания (рис. 6.3.) - наносим линии поверхности, нижней границы наносов, нижней границы разработки; - наносим линии сдвижения пород висячего бока под углом  , для пород лежачего бока  , находим угол сдвижения для пород на флангах месторождения  ; - в точках пересечения с границей наносов линии сдвижения наносим под углом  .Определяем горизонтальное положение линий сдвижений в породах: - со стороны висячего бока  - со стороны лежачего бока  Определяем горизонтальное проложение выработанного пространства  α Определяем горизонтальное проложение сдвижения в наносах  Общая ширина зоны сдвижения (вкрест простирания) составит  Горизонтальное проложение линии скольжения на флангах  Длина очистной выемки по линии простирания S = 200 м. Длина зоны сдвижения по простиранию  К размерам зоны сдвижения добавляется ширина предохранительной бермы. Пример 2. Определить границы опасной зоны (зоны сдвижения пород) и разработке угольного месторождения в Донецком угольном бассейне. Горнотехнические параметры месторождения: - мощность наносов - мощность покрывающих пород  - глубина разработки месторождения  - длина шахтного поля S = 4000 м; - длина шахтного поля по падению H = 1200 м; - коэффициент крепости пород f = 6 - 8 м; - нормальная мощность пласта m = 3,0 м. Решение. Безопасная глубина по условию сдвижения пород при отработке месторождения составляет  где  = 300 – 500 для условий Донецкого угольного бассейна, m = 3,0 м - мощность отрабатываемого пласта,  = 500 3 = 1500 м.Глубина разработки H= 1200 м – сдвижение пород не достигнет поверхности. Лекция 14 6.5. Сдвижение горных пород при разработке месторождений открытым способом ' При открытой разработке месторождения полезных ископаемых опасные деформации массива выражаются в смещении масс пород в бортах карьера. Устойчивость бортов карьера оценивается соответствием их высоты H и угла наклона α прочностным характеристикам пород (с,  ), а также наличием дизъюнктивных нарушений массива (трещин, разрывов, разломов). Формы проявления сдвижения пород – оползень (рис. 6.5), обрушение, оплывание, просадка и т. д. Рис. 6.5. Схема уступа:CML – поверхность скольжения;  – вертикальный откос; a – глубина разаития деформации; 1 – заколы (трещины); 2 – трещина отрыва; 3 – тело оползня (призма обрушения); 4 – вал выпиранияИнженерные методы расчета устойчивых параметров базируются на следующих положениях.   Рис. 6.6. Равновесие частиц на поверхности откоса сыпучей породы Частица несвязной породы удерживается на свободной поверхности естественного откоса (рис. 6.6.) под действием силы трения,  , уравновешивающей касательную составляющую силы тяжести T =  .Условие равновесия частицы T = S или  где – коэффициент трения. Учитывая равенство  , получим условие равновесия сыпучей среды:  из которого следует, что для сыпучих пород угол естественного откоса равен углу внутреннего трения. Равенство (6.5) выражает предельное равновесие, нарушение этого условия создает возможность образования осыпи или обрушения. В связных горных породах до определенной высоты можно строить вертикальные откосы (угол наклона равен 90°). Высота вертикального откоса определяется по формуле:  где  – удельное сцепление пород, МПа; – объемный вес пород, МН/м3; – угол внутреннего трения пород, град. Эта высота называется также предельной и критической. При увеличении высоты откоса для сохранения устойчивости необходимо уменьшить угол откоса. Для суждения об устойчивости откоса, сложенного связными породами, в его массиве находят наиболее слабую поверхность и сравнивают силы, удерживающие  и  , сдвигающие откос, которые действуют по этой поверхности. Соотношение удерживающих и сдвигающих сил n называют коэффициентом запаса устойчивости откоса:  Поверхность, по которой действует сила с отношением  = 1, называется предельно напряженной, или поверхностью скольжения. Порядок расчета устойчивого угла откоса: - определяется высота вертикального откоса:  - рассчитывается приведенная (условная) высота откоса:  - устойчивый угол откоса: при   при   - производится оценка устойчивости откоса при H и по величине коэффициента запаса устойчивости .Оценка устойчивости откоса производится методом алгебраического сложения сил для определения коэффициента запаса устойчивости . Оценка включает следующие расчеты и определения: Расчет ширины призмы возможного обрушения по формуле:  Строительство линии скольжения в виде плавной кривой СЕД (рис. 6.7).  Рис. 6.7. Схема построения линии скольжения Призма возможного обрушения делится по ширине на расчетные блоки размером  , блоки нумеруются (сверху вниз по откосу от 1 до N). В каждом блоке определяется его средняя высота  и его площадь блока (рис. 6.8.)  Рис. 6.8. Схема деления призмы на расчетные блоки В середине отрезка линии скольжения в пределах блока  проводится касательная. В точке касания в каждом блоке «навешивается» сила тяжести блока,  4. В каждом блоке сила тяжести  раскладывается на две составляющие:- сталкивающую блок вниз:  - нормальную (к касательной):  где – угол между и  . Определяем силу трения И сцепления: 5. Находим коэффициент запаса устойчивости откоса n как отношение суммы удерживающих блок на откосе к сумме сил двигающих блок:  при < 1 – откос неустойчивый; при > 1 – откос устойчивый; при = 1 – откос находится в состоянии предельного напряжения. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
