СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

12

СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

20.1. Основные понятия.

Проведение горных работ нарушает естественное состояние массивов пород, горных пород, в результате чего последние выходят из равновесия, деформируются и перемещаются. Обычно эти процессы захватывают всю толщу массива, включая поверхность. Породы на земной поверхности также претерпевают деформации и перемещения.

Указанные явления могут происходить и под влиянием тектонических процессов, выщелачивания, водопонижения, изменения механических свойств пород (при увлажнении или же обезвоживании) и других причин.

Традиционно перемещение и деформирование пород в результате нарушения равновесия под влиянием горных разработок или других естественных (природных) процессов называют сдвижением горных пород и земной поверхности.

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 всё 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.

Под влиянием горных работ в движение приходят и породы почвы, испытывающие поднятие. Поднятие почвы и выдавливание ее в сторону выработанного пространства объясняется снятием с нее нагрузки от вышележащих пород и перераспределением напряжений в массиве пород.

В процессе сдвижения происходит изменение объема пород: в зоне повышенного (опорного) давления породы уплотняются, а в зоне обрушения разрыхляются. Разрыхленная порода, увеличиваясь в объеме, заполняет выработанное пространство и создает подпор вышележащим слоям.

Инструментальные наблюдения за сдвижением толщи горных пород и земной поверхности показывают, что изменение напряженного состояния и сдвижение породного массива, вызываемые подземными горными работами, распространяются на значительные расстояния, в несколько раз превышающие размеры выработанных пространств.

Часть породного массива, подвергшуюся сдвижению под влиянием горных разработок, принято называть областью сдвижения горных пород, а соответствующую часть земной поверхности—мульдой сдвижения. В мульде сдвижения различают полумульду сдвижения по падению пласта L1 и полумульду сдвижения по восстанию пласта L2.

Сдвижения точек земной поверхности могут иметь разные значения и направления. Принято вертикальную составляющую вектора перемещения точки поверхности называть оседанием и обозначать . Соответственно горизонтальные составляющие называют горизонтальными сдвижениями и обозначают (в направлении вкрест простирания) и , (по направлению простирания).

Вертикальные сечения мульды по простиранию и вкрест простирания пласта, проходящие через точки с максимальным оседанием земной поверхности, называют главными сечениями мульды сдвижения (рис.20.1).

Рис. 20.1 Главные сечения мульды сдвижения вкрест простирания (а, в) и по простиранию (б, г) при неполной (а, б) и полной подработке (в, г).

1-полезное ископаемое; 2- вырабо-танное пространство; 3- земная по-верхность до подработки; 4-мульда сдвижения; 5 участок с “плоским дном”.

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 (в качестве которых принимают обычно точки, получившие оседания 10—мм). Различают граничные углы по простиранию о, по падению о и по восстанию о пласта или залежи.

Углы, образованные горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы горных работ и внешние границы зоны опасных деформаций, носят название углов сдвижения. Определяют их так же, 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 ) и в наносах ().

Выделяют также углы разрывов (, , ) —внешние относительно выработанного пространства углы, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границу выработки с наиболее удаленной от центра мульды сдвижения трещиной. Углы разрывов обычно на 5—° круче углов сдвижения, но не более 90°.

При определенном соотношении размеров выработанного пространства и глубины разработки в мульде сдвижения образуется плоское дно, т. е. участок с максимально возможными оседаниями при данной мощности и угле падения пласта (залежи). На этом участке сдвижения носят в основном равномерный характер. Условия, при которых в мульде сдвижения образуется плоское дно, принято называть полной подработкой земной поверхности.

Границы плоского дна определяются углами полных сдвижений - 1, 2, и 3. При неполной подработке положение точки, имеющей максимальное оседание, определяется углом максимального оседания .

В условиях неполной подработки максимальное оседание наблюдается, строго говоря, в одной точке мульды сдвижения и обозначается max, а при полной подработке значения максимальных оседании характерны для множества точек плоского дна, они обозначаются 0.

Неравномерность сдвижения горных пород вызывает деформации земной поверхности. Для характеристики деформаций используют следующие параметры:

а) наклоны интервалов в мульде сдвижения i — отношения разности оседании двух точек мульды к расстоянию между ними, выраженные безразмерной величиной; при расчете деформаций наклон характеризует неравномерность распределения оседании в сечении мульды сдвижения и определяется как первая производная функции оседания;

б) кривизна мульды сдвижения Кр —отношение разности наклонов двух соседних интервалов мульды к полусумме длин этих интервалов; кривизна характеризует неравномерность распределения наклонов в сечении мульды сдвижения и определяется как первая производная функции наклонов и вторая производная функции оседания. Различают измеренную кривизну мульды, получаемую непосредственно по данным измерений, и расчетную кривизну мульды, полученную расчетным путем (сглаженная кривизна);

в) радиус кривизны мульды с движения —величина, обратная кривизне мульды сдвижения, выраженная в метрах RKр = 1/Кр;

г) относительные горизонтальные деформации в мульде сдвижения —отношения разности горизонтальных сдвижений двух точек мульды к расстоянию между ними, выраженное безразмерной величиной. При растяжении считается положительным, при сжатии - отрицательным. Горизонтальные деформации характеризуют неравномерность горизонтальных сдвижений в мульде и определяются как первая производная этих сдвижений.

В мульде сдвижения выделяют зону опасных деформаций, за пределами которой деформации не превышают следующих критических значений:

наклоны мульды сдвижения i = 4-10-3;

кривизна Kp = 2-10-4 м-1;

горизонтальные деформации (растяжение) = 2 10-3.

В зависимости от условий разработки деформации горных пород и земной поверхности носят плавный или же сосредоточенный характер. Концентрация деформаций на отдельных участках вызывает образование в толще пород и на земной поверхности трещин и уступов, оказывающих крайне неблагоприятное влияние на подрабатываемые объекты. Иногда на земной поверхности образуются провалы. В условиях горизонтального и пологого залегания пластов трещины, уступы и провалы возникают при отработке мощных залежей полезного ископаемого на небольших глубинах. Провалы появляются и на выходах под наносы крутопадающих пластов средней мощности.

Период, в течение которого земная поверхность над выработанным пространством находится в состоянии сдвижения, принято называть общей продолжительностью процесса сдвижения.

Из общей продолжительности процесса сдвижения обычно выделяют период опасных деформаций, т. е. период, в течение которого наиболее вероятно появление повреждений в подрабатываемых объектах. Нередко его связывают со скоростью оседании земной поверхности. Так, в ряде нормативных документов под периодом опасных деформаций понимают промежуток времени, в течение которого земная поверхность оседает со скоростью не менее 50 мм в месяц при пологом и наклонном залегании пластов или рудных тел и не менее 30 мм в месяц в условиях крутого залегания.

В зависимости от способа определения различают сдвижения и деформации фактические, измеренные, ожидаемые или расчетные.

Под фактическими понимают сдвижения и деформации, которые в действительности претерпели горные породы и земная поверхность под влиянием выемки полезного ископаемого.

Измеренными называют сдвижения и деформации, полученные по данным натурных наблюдений на конкретном участке месторождения при определенных длинах интервалов, частоте и точности наблюдений. При дискретном характере процесса сдвижения измеренные деформации могут существенно отличаться от фактических за счет их искусственного “сглаживания”, если расстояние между реперами соизмеримо с размерами (или больше) блоков, на которые разбивается массив при подработке, а частота наблюдений не соответствует скорости и характеру развития процесса. При малых значениях измеренные сдвижения и деформации отличаются от фактических за счет погрешностей наблюдений.

Ожидаемые или расчётные сдвижения и деформации определяют путем предрасчета по формулам, таблицам или графикам, составленным на основании обобщения результатов наблюдений в данных (или аналогичным данным) горнодобывающих районах. Поскольку при обобщении производят осреднение измеренных деформаций, типовые кривые по району (или группе районов) отличаются от измеренных на конкретных участках месторождения.

20.2. 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 o, o и о, углами полных сдвижений 1, 2 и 3 и углом максимального оседания .

Граничные углы o и о зависят главным образом от механических свойств горных пород (чем породы прочнее, тем круче эти углы) и при первичной подработке толщи меняются в пределах от 500 (Ангренское угольное месторождение) до 75° (Донецкий бассейн). При повторных подработках толщи эти углы обычно выполаживаются. Так, в Карагандинском угольном бассейне угол o выполаживается с 60 до 550, в Кузнецком —с 70 до 60°, а в особо неблагоприятных случаях —до 50°. В Донецком бассейне повторная подработка толщи пород вызывает уменьшение угла о на 0,2 , где —угол падения пластов.

Угол o является в основном функцией углов 0 и .

Минимальное значение угла o в неподработанной ранее толще на большинстве месторождений равно 25°, в подработанной ранее толще - 20°. Значение угла полных сдвижений в направлении простирания пластов 3, а при горизонтальном залегании во всех направлениях, колеблется в пределах от 50 (Кизеловский и Кузнецкий бассейны) до 60° (Челябинский бассейн). В Донецком, Карагандинском и Львовско-Волынском бассейнах 3 = 55°.

Углы 1 и 2 зависят от углов падения пластов и от того, в каком месте находится рассматриваемая очистная выработка по отношению к более ранним горным работам.

Общая продолжительность процессов сдвижения зависит от глубины горных работ, скорости подвигания очистного забоя, механических свойств, литологических и других особенностей массива горных пород.

Продолжительность процесса сдвижения в большинстве случаев определяют опытным путём и приводят в действующих нормативных документах в виде таблиц, составленных для типовых условий разработки конкретных месторождений.

Период опасных деформаций toп также устанавливают опытным путем или определяют из выражения

toп = р Тобщ, (20.1)

где р = 0 0.9 — коэффициент, зависящий от значения ожидаемого максимального оседания земной поверхности max и угла падения пластов .

.3. Особенности развития процесса сдвижения

для различных типов месторождений.

Характер и параметры процесса сдвижения в значительной мере определяются строением и свойствами массивов пород. С этой точки зрения все массивы месторождений можно разделить на два основных класса:

- массивы слоистого строения;

- массивы неслоистого строения.

К первому классу относятся все угольные и сланцевые месторождения и более 60% рудных месторождений.

В свою очередь, в зависимости от форм залегания и угла падения слоев, в этом классе выделяется четыре группы месторождений:

• с горизонтальным и пологим залеганием;
• с наклонным и крутым залеганием;
• со складчатым залеганием;
• с несогласным залеганием.

Для первого класса месторождений процесс сдвижения изучен наиболее полно и в самом общем случае вокруг выработанного пространства может быть выделено несколько зон с различным характером процессов сдвижения и деформирования пород (рис. 20.2).

Рис. 20.2. Схема сдвижения горных пород при разработке пластовых место-рождении.

Зоны: I—обрушения; II и VII—разломов; III и IX—активных трещин; IV и Х—локальных трещин; V и XI — плавного прогиба; VI и VIII — опорного давления; XII и XIIa — сдвига пород по напластованию.

Над очистной выработкой располагается зона I, где породы разделены на отдельные куски и мелкие блоки. Она обычно носит название зоны обрушения.

Основной особенностью развития процессов сдвижения в условиях месторождений со слоистым строением пород является то, что за пределами зоны обрушения сдвижение пород висячего бока происходит в форме последовательного расслоения и прогиба пород в сторону выработанного пространства, а также сдвига их по плоскостям расслоения.

Непосредственно к зоне обрушения прилегает зона II, которая характеризуется развитием в прогибающихся слоях нормально секущих трещин и трещин расслоения, разбивающих массив на крупные блоки (рис. 20.3) и образующих систему сквозных водо- и газопроводящих каналов с малым аэродинамическим сопротивлением, практически не оказывающим влияния на прохождение по каналам растворов и газов. Эту зону называют зоной разломов.

Далее в массиве выделяется зона III, в пределах которой секущие трещины, идущие от верхней и нижней поверхностей изгибающегося слоя, достигают трещин расслоения и создают систему водо- и газопроводящих трещин со значительным аэродинамическим сопротивлением, увеличивающимся пропорционально удалению их от разрабатываемого пласта. Зону III называют зоной активных трещин.

Рис. 20.3. Образование и развитие трещин в слоистом массиве.

1 —секущие трещины; 2 — трещины расслоения.

В зоне IV деформации растяжения, вызванные изгибом слоя, достигают критических значений. Чем ближе слой расположен к горным работам, тем глубже распространяются в нем критические деформации и тем больший объем пород разрушается. Одновременно под влиянием касательных напряжений, вызванных изгибом слоя, в нем появляются деформации сдвига и зарождаются трещины расслоения. Но поскольку протяженность этих трещин и глубина секущих трещин в четвертой зоне невелики, сквозной водо- и газопроводящей системы трещин в этой зоне не образуется. Зона IV называется зоной локальных трещин.

Зона V характеризуется прогибом пород без разрыва их сплошности. Она называется зоной плавного прогиба.

Зона VI отличается повышенными по сравнению с остальным массивом напряжениями и деформациями сжатия в вертикальном направлении. В общем случае она состоит из двух частей и находится над целиками (или массивом), примыкающими к выработанному пространству, носит название зоны опорного давления.

Перечисленные шесть зон находятся в подработанной толще пород. В надработанной толще выделяется пять зон (зона обрушения отсутствует), при этом зоны VII, VIII, IX и XI по своим качественным характеристикам соответствуют зонам III, IV, V и VI подработанной толщи, но все зоны, образующиеся в надработанной толще, расположены ближе к разрабатываемому пласту, чем в подработанной. При определенных углах падения пород происходит сползание слоев (преимущественно по плоскостям напластования) и в толще появляются зоны XII (в подработанной толще) и XIIa (в надработанной).

В зависимости от условий разработки, способов управления кровлей и других влияющих факторов количество, местоположение и размеры зон могут отличаться от приведенной выше схемы. Так, при закладке выработанного пространства или при управлении кровлей способом плавного опускания зона обрушений, как правило, отсутствует, и непосредственно над выработанным пространством располагаются зоны разломов или трещин.

При малой вынимаемой мощности пласта и пластичных вмещающих породах могут отсутствовать также зона разломов и зоны трещин.

При наклонном и крутом залегании пород (вторая группа месторождений) часть слоев изгибается подобно наклонным плитам, защемленным по концам, а часть слоев —подобно наклонным консольным плитам, защемленным у нижнего конца.

На выходах мощных крутопадающих пластов образуются провалы. При наклонном, и особенно крутом, залегании пластов, горизонтальные сдвижения и деформации преобладают над вертикальными. Кривые деформации в этих условиях часто имеют прерывистый характер, отражающий появление на земной поверхности уступов и трещин.

При складчатом залегании пород (третья группа) характер процесса сдвижения зависит от формы и размера складки. Особенно это заметно на складках синклинальной формы. В тех случаях, когда расстояние между выходами пласта на поверхность на разных крыльях складки соизмеримо с длиной мульды сдвижения, процесс сдвижения развивается и замыкается, как правило, внутри этой складки. В тех случаях, когда размеры синклинальной складки в плане в несколько раз превышают размеры мульды сдвижения, на выходе осевой плоскости складки на поверхность (если она попала в зону влияния горных работ) наблюдается значительная концентрация деформаций.

В условиях несогласного залегания пород (четвёртая группа) характер процесса сдвижения зависит от мощности несогласно залегающих пород и их доли в составе общей толщи. Наиболее часто несогласно с коренными породами залегают третичные и четвертичные отложения (наносы).

Следует заметить, что существенное влияние на процесс сдвижения в условиях слоистого строения пород оказывают геологические нарушения. На выходах этих нарушений на поверхность (или под наносы) наблюдается резкая концентрация деформаций, нередко с образованием уступов и трещин.

Ко второму классу массивов , т.е. к массивам с неслоистым строением, относятся в основном месторождения, залегающие в крепких магматических или метаморфических породах. Формы этих месторождений весьма различны: от пластообразных и жилоподобных залежей до отдельных рудных вкраплений. Соответственно различен для них и характер процесса сдвижения, что существенно затрудняет выявление общих закономерностей его развития. Процессы сдвижения здесь изучены в меньшей степени и результаты ограничиваются установлением угловых параметров процесса сдвижения, определяющих границы всей мульды и ее отдельных зон.

Процесс сдвижения при неслоистом строении пород развивается преимущественно в форме перемещения отдельных структурных блоков в сторону выработанного пространства. Наиболее вероятными местами образования поверхностей отрыва являются поверхности структурных неоднородностей, в частности крутопадающие тектонические трещины, особенно если они подсечены горными работами.

На рис. 20.4 в качестве примера приведена схема развития процессов сдвижения в условиях апатито-нефелиновых месторождений Хибин.

Рис. 20.4 Схема развития процессов сдвижения в условиях апатито-нефелиновых месторождений Хибин

.4. Факторы, влияющие на процесс сдвижения.

Можно назвать более десяти горно-геологических факторов, оказывающих заметное влияние на характер процесса сдвижения горных пород и земной поверхности.

Так, путем изменения скорости подвигания забоя можно ускорить или замедлить процесс сдвижения, путем изменения способа управления кровлей увеличить или уменьшить деформации и т. д. Факторы, поддающиеся изменению по воле человека, называются регулируемыми.

Геометрические элементы залегания пластов и другие факторы, изменить которые искусственным путем невозможно, называют заданными факторами.

20.5. Методы определения основных параметров процесса сдвижения

по результатам натурных наблюдений.

В настоящее время определения параметров процесса сдвижения выполняются по единым требованиям и методикам, базирующимся на опыте наиболее изученных месторождений.

Изучение характера и измерение параметров сдвижения земной поверхности и толщи горных пород чаще всего ведут методами непосредственных измерений перемещений пород.

К числу таких методов, в первую очередь, относятся геодезические или маркшейдерские методы - нивелирование для определения оседаний горных пород, т. е. перемещений в вертикальной плоскости и линейные измерения (иногда в сочетании с угловыми) для определения горизонтальных деформаций, т. е. перемещений пород в горизонтальной плоскости.

Для наблюдений за сдвижениями оборудуют специальные наблюдательные станции, состоящие из системы реперов, закладываемых в грунт (земную поверхность), в подрабатываемые здания и сооружения, в стенки, кровлю или подошву горных выработок, в специально пробуриваемые скважины по определенной схеме в пределах предполагаемой области сдвижения.

По мере развития горных работ ведут систематические наблюдения перемещений реперов в пространстве и во времени относительно исходных или опорных пунктов, располагаемых заведомо за пределами возможной области сдвижений.

Рабочие реперы наземных наблюдательных станций обычно располагают в створах профильных линий с таким расчетом, чтобы обеспечить получение необходимых данных о границах области сдвижения и об основных параметрах процесса сдвижения земной поверхности.

СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ