МЕТОДЫ ОХРАНЫ ОБЪЕКТОВ И СООРУЖЕНИЙ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ

19

Лекция 21.

час.

МЕТОДЫ ОХРАНЫ ОБЪЕКТОВ И СООРУЖЕНИЙ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ.

21.1. Основные принципы выбора мер охраны.

Для защиты объектов и сооружений от вредного влияния подземных горных разработок и предотвращения прорывов воды в горные выработки применяют различные меры охраны, которые условно можно разделить на четыре группы:

1. профилактические,
2. горнотехнические,
3. конструктивные
4. комплексные.

Профилактические меры имеют основным назначением предотвращение или снижение вредных последствий горных разработок Они должны выполняться как в период составления проектов освоения месторождений и генеральных планов застройки городов и поселков, так и в период выбора и привязки площадок для строительства конкретных объектов. Рациональная застройка горнопромышленных районов обеспечивает наиболее полную и эффективную отработку запасов полезных ископаемых с минимальными затратами на мероприятия по борьбе с вредными последствиями подработок.

Горнотехнические меры охраны направлены на уменьшение деформаций земной поверхности и подрабатываемых объектов. Они включают в себя специальные методы ведения горных работ и оставление предохранительных целиков.

Конструктивные меры защиты имеют целью приспособить здания и сооружения к перенесению деформаций с минимальными последствиями. На послеосадочный ремонт таких зданий и сооружений требуется значительно меньше средств, чем для зданий и сооружений, не имеющих указанных мер защиты. Эти меры наиболее эффективны, если их предусматривают и осуществляют в период строительства здания (сооружения).

Комплексными считаются любые сочетания перечисленных выше мер.

Выбор мер охраны сооружений и природных объектов регламентируется действующими нормативными документами, например, “Правилами охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. М, Недра, 1981, 288 с.”, “Руководством по расчёту и проектированию зданий и сооружений на подрабатываемых территориях. М, Стойиздат, 1983,136 с.”.

Меры выбирают в зависимости от категории охраны объекта, ожидаемых деформаций земной поверхности, гидрогеологических условий участка месторождения, конструктивных особенностей, размеров, технического состояния и характера эксплуатации сооружения, установленного в нем оборудования и последствий подработки.

Полную защиту сооружений (т. е. полное предотвращение деформаций) применяют относительно редко, так как она связана с большими материальными затратами, трудно осуществима и не всегда является необходимой.

Чаще применяют частичную защиту, при которой допустимо появление деформаций подрабатываемых объектов в пределах, не ведущих к их разрушению и не влекущих за собой прекращение эксплуатации объектов, опасности для работающих и живущих в охраняемых зданиях и сооружениях, а также прорыва воды и затопления горных выработок. Последствия подработки при таком способе защиты сооружений обычно (при необходимости) устраняют послеосадочным ремонтом.

При решении вопросов отработки запасов под застроенными территориями и природными объектами различают допустимые и предельные деформации земной поверхности (основания сооружений). При допустимых деформациях возникают относительно небольшие повреждения, которые не создают существенных препятствий дальнейшей эксплуатации сооружений по их прямому назначению. При деформациях, превышающих предельные значения, повреждения столь велики, что могут привести к аварийному состоянию сооружений, повлечь угрозу опасности для жизни людей.

Отработка запасов в условиях, при которых расчетные деформации превышают предельные значения, должна производиться с применением горнотехнических мероприятий, уменьшающих деформации земной поверхности до допустимых значений. Если этими мероприятиями снизить деформации до допустимых значений не представляется возможным, дополнительно применяют конструктивные меры защиты.

При решении вопросов подработки объектов одиночным пластом или первым пластом свиты расчет ожидаемых деформаций обычно не производится, а условия отработки запасов под объектом определяются так называемой безопасной глубиной разработки, т. е. глубиной, ниже которой горные работы не вызывают в сооружениях деформаций, более допустимых.

Безопасная глубина Нб вычисляется из выражений

m

Нб = К------; (21.1)

[g]

m

Нб = Кi------; (21.2)

[ig]

где m —вынимаемая мощность пласта, м; [g] и [ig] — допустимые значения горизонтальных деформаций и наклонов для подрабатываемого объекта (определяются по нормативным документам); К и Кi — коэффициенты, отражающие зависимость деформаций земной поверхности от углов падения пластов и физико-механических свойств массива горных пород (определяются по нормативным документам).

Из двух значений Нб, полученных по формулам (21.1) и (21.2), принимается наибольшее значение. В тех случаях, когда для объекта является опасным только один из указанных видов деформаций или i, расчет безопасной глубины производится только по формуле, содержащей этот вид деформаций.

При выборе мер охраны подрабатываемых объектов проводят, как правило, технико-экономический анализ возможных вариантов. За базовый обычно принимают наиболее безопасный, но и наиболее дорогой вариант оставления предохранительного целика.

21.2. Профилактические меры охраны.

Профилактические меры заключаются, главным образом, в оптимальном расположении различных объектов народного хозяйства относительно месторождений полезных ископаемых и будущих фронтов развития горных работ.

Основой профилактических мероприятий служит карта прогноза ожидаемых деформаций земной поверхности. На ней выделяют площади, не подверженные влиянию горных работ, или такие, где процесс сдвижения полностью закончился, т. е. площади, на которых строительство можно вести без всяких ограничений. Остальную территорию разбивают на участки:

1. с относительно небольшими деформациями, на которых можно располагать второстепенные, мало чувствительные к подработке здания и сооружения;
2. с затухающими деформациями, на которых можно в ближайшее время (после окончания процесса сдвижения) начинать строительство;
3. участки с интенсивными деформациями, где возводить здания и сооружения в ближайшее время нецелесообразно.

На эти карты наносятся также выходы на поверхность тектонических нарушений, осевых плоскостей складок, контактов слоев разной прочности и других ослаблении массива, где происходит концентрация деформаций горных пород.

21.3. Горнотехнические меры охраны.

21.3.1. Методы ведения горных работ при подработке сооружений.

Степень деформирования подрабатываемых объектов существенно зависит от порядка ведения горных работ, способа управления кровлей, скорости подвигания очистного забоя и других горнотехнических факторов. Выбор оптимального сочетания этих факторов, т. е. горнотехнических мер защиты, является важной составной частью проекта отработки запасов под застроенными территориями и природными объектами. Целесообразность применения той или иной горной меры защиты или комплекса этих мер определяется технико-экономическим расчетом и техническими возможностями.

Наиболее часто стараются планировать горные работы так, чтобы подрабатываемый объект попадал в пределы плоского дна мульды сдвижения, т. е. на тот ее участок, на котором остаточные деформации минимальны.

Рис 21.1. Расположение подрабатываемого объекта на участке плоского дна мульды сдвижения на разрезе вкрест простирания (а) и по простиранию пласта (б).

Создание плоского дна в мульде сдвижения при небольших глубинах разработки пластов обычно не представляет трудностей, но с ростом глубины осуществление этого мероприятия связано со значительным увеличением размеров очистных выработок, что по ряду технических причин не всегда возможно. В этих случаях плоское дно в мульде сдвижения создают путем соответствующей отработки нескольких лав. Наиболее эффективен в этом отношении способ парных штреков (рис. 21.2).

Рис 21.2 Последовательность отработки пласта при способе парных штреков.

1 и 2 — участки пласта, отрабатываемые соответственно на первом и втором этапе.

Заметное влияние на состояние подрабатываемых зданий оказывает его ориентация по отношению к горным работам. Поскольку повреждения зданий при прочих равных условиях находятся в прямой зависимости от их длины, следует стремиться, чтобы деформации земной поверхности в направлении продольной оси здания были минимальными.

При подработке самотечных канализационных коллекторов горные работы следует вести навстречу транспортируемой в них жидкости.

Отработку полезных ископаемых под школами, котельными и другими сооружениями, имеющими значительные перерывы в эксплуатации, надо планировать с таким расчетом, чтобы активная стадия процесса сдвижения совпадала с перерывами в эксплуатации этих объектов.

В тех случаях, когда обеспечить защиту зданий и сооружений с помощью рационального проектирования очистных работ и оптимальных конструктивных мер защиты технически невозможно или экономически невыгодно, применяют способы частичной отработки запасов.

При частичной отработке пластов по площади подбирают такие размеры лав D и межлавных целиков d, при которых деформации земной поверхности под рассматриваемым объектом не превысят заданных значений.

Эффективным мероприятием, обеспечивающим нормальную эксплуатацию подрабатываемых объектов и не требующим дополнительных затрат, является учёт знака и направления развития деформаций в подрабатываемых объектов.

В частности, при подработке горизонтальных выработок, особенно на обводненных участках, для предотвращения скопления воды в выработках и облегчения транспортировки полезного ископаемого горные работы в подрабатывающем пласте должны вестись навстречу уклону с тем, чтобы не допустить создания нулевых или обратных уклонов.

При выемке полезного ископаемого под железнодорожными путями на участках пути, где исходные элементы профиля близки к допустимым пределам, уклон пути следует уменьшать, а не увеличивать Горные работы следует начинать под участком железнодорожного пути с нулевым уклоном или уклоном, направленным в сторону, противоположную движению забоя.

В последние годы для защиты ответственных сооружений от вредного влияния подземных горных разработок все чаще применяют полную закладку выработанного пространства.

21.3.2. Ведение горных работ при отработке свит пластов (жил).

Существенное влияние на деформации земной поверхности и сооружений при разработке свит пластов или жил оказывают взаимное положение горных выработок в разных пластах, порядок и сроки отработки пластов. Так, при расположении границ очистных выработок в сближенных пластах (жилах) примерно в одной вертикальной плоскости происходит однозначное наложение деформаций, и сумма их в несколько раз превышает значения деформаций, возникающих от влияния одного из этих пластов. И наоборот, при соответствующем относительном смещении границ очистных работ в разных пластах (жилах) происходит полная или частичная взаимная компенсация деформаций разных знаков, а на отдельных участках подрабатываемой площади суммарные значения деформаций могут оказаться меньше возникающих от влияния каждого из пластов этой свиты.

На указанном принципе основано одно из наиболее эффективных горных мероприятий —гармоническая отработка пластов (жил), т. е. отработка, предусматривающая такое взаимное расположение очистных выработок, при котором деформации земной поверхности в районе подрабатываемого объекта частично или полностью взаимно компенсируются.

Степень деформирования подрабатываемых объектов зависит не только от взаимного расположения горных выработок в пространстве, но и от развития горных работ во времени.

В частности, для компенсации деформаций необходим минимальный разрыв во времени между отработкой пластов. Если пласты отрабатываются способом, когда не происходит существенного однозначного суммирования деформаций, разрыв во времени между отработкой пластов имеет второстепенное значение. При раздельной отработке пластов, когда возможно однозначное наложение деформаций, разрыв во времени между отработкой пластов должен быть не менее общей продолжительности процесса. Это необходимо для снятия напряжений, возникших от предыдущей подработки (преимущественно в стальных трубопроводах), или устранения появившиеся деформации в охраняемых объектах.

21.3.3. Подработка водных объектов.

При решении задачи отработки месторождений под водными объектами рассматривают обычно два вопроса:

1) предотвращение опасных поступлений воды в горные выработки;

) обеспечение сохранности и нормальной эксплуатации подрабатываемого объекта.

Наиболее сложен и ответствен первый вопрос, так как он связан с безопасностью работ в шахтах и рудниках. Условия ведения горных работ под водными объектами, расположенными на земной поверхности, регламентируются законодательными актами (например, “Правилами охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях”, “Правилами безопасности”), в частности, значениями безопасной глубины работ под водными объектами.

При этом под безопасной глубиной разработки под водными объектами понимается минимальная глубина, при которой зона водопроводящих трещин, образующаяся над выработанным пространством, не достигает нижней границы водного объекта, т. е. не создается условий для прорыва воды и затопления горных выработок.

Безопасную глубину горных работ под водными объектами определяют из выражения

Нб = Кб m, (21.3)

где Кб — коэффициент безопасности, выбираемый из соответствующих таблиц “Правил” в зависимости от состава и свойств горных пород, угла падения пластов, значения и размеров водного объекта; m — вынимаемая мощность пласта.

Для предотвращения опасных поступлений воды в горные выработки применяют различные профилактические мероприятия как на земной поверхности, так и в подземных выработках.

В тех случаях, когда водные объекты имеют ограниченный расход или запас воды, бывает целесообразно отвести их или перекачать из них воду за пределы влияния горных работ. Воду в небольших ручьях и балках с водотоком пропускают иногда по специальным лоткам или трубам. Появляющиеся трещины тщательно тампонируют.

В качестве горных мероприятий применяют различные способы закладки выработанного пространства, камерно-столбовую систему разработки, гармоническую отработку пластов и другие меры.

Вопросы охраны ирригационных сетей и каналов, источников водоснабжения и других подобных объектов решают обычно для каждого объекта с учетом конкретных условий. При решении этих вопросов рассчитывают возможные потери воды из водных объектов вследствие фильтрации ее в горные выработки, которая может происходить как непосредственно через зону водопроводящих трещин над выработанным пространством, если она достигает границ водного объекта, так и через проницаемые слои и зоны, связывающие водный объект с зоной водопроводящих трещин.

Особую осторожность следует проявлять при отработке под водными объектами калийных и каменных солей. Опыт подработки водных объектов, накопленный в угольной промышленности, имеет здесь ограниченное применение, так как угольные шахты располагают, как правило, мощными средствами водоотлива и относительно легко справляются с небольшими дополнительными притоками.

В соляных рудниках, где нет водоотлива, даже небольшие притоки воды могут привести к крупным авариям. Следует помнить также, что разрабатываемые пласты соли часто залегают в породах, поддающихся растворению, как и сами пласты.

21.3.4. Предохранительные целики.

Наиболее надежной мерой защиты и охраны объектов и сооружений от вредного влияния подземных горных разработок (но подчас наименее экономичной) является оставление предохранительных целиков.

Установление оптимальных размеров предохранительного целика представляет собой сложную и ответственную инженерную задачу. Известны случаи, когда целики недостаточных размеров вызывали большие повреждения сооружений, чем отработка запасов без оставления целиков.

Вместе с тем оставление излишних запасов в целиках ведет к неоправданным потерям полезного ископаемого и наносит значительный ущерб народному хозяйству.

Оставление целиков существенно нарушает технологию добычи полезного ископаемого и ритм работы горного предприятия. Особенно это ощутимо при высокой степени механизации добычных процессов, так как переход горных работ через оставляемый целик связан с увеличением непроизводительных монтажных работ.

При оставлении предохранительных целиков предусматривают, как правило, не полную защиту сооружений, а только защиту их от разрушительных деформаций, т. е. при этом сооружения должны попадать за пределы опасной зоны мульды сдвижения (рис. 21.4), определяемой углами сдвижения. Для особо ответственных сооружений, в том числе для глубоких (свыше 600 м) вертикальных стволов шахт, целики строят по граничным углам.

Рис 21.4. Определение границ опасной зоны мульды сдвижения.

1 — мульда оседания, 2 —график горизонтальных деформаций, 3—охраняемый объект.

Под построением целиков следует понимать определение границ, до которых можно вести горные работы, не вызывая недопустимых повреждений в охраняемых объектах или прорыва воды в горные выработки.

Обычно границы предохранительных целиков определяют на вертикальных разрезах линиями пересечения почвы пластов с плоскостями, проведенными под углами сдвижения (или граничными углами) через границы охраняемой площади.

.4. Конструктивные меры защиты подрабатываемых сооружений.

Конструктивные меры защиты могут быть осуществлены как в период проектирования и строительства сооружений, так и непосредственно перед подработкой в период их эксплуатации.

Более эффективны меры, осуществляемые в период строительства. Однако вкладывать средства в мероприятия, которые окупятся через много лет, не всегда бывает выгодно. В ряде случаев целесообразнее провести ремонтно-восстановительные работы или применить более дорогие мероприятия в период эксплуатации сооружения.

Вопросы строительства сооружений на подрабатываемых территориях, в том числе и условия применения конструктивных мероприятий, регламентируются специальными нормативными документами, в частности, “Правилами охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. М, Недра, 1981, 288 с.”и “Руководством по расчёту и проектированию зданий и сооружений на подрабатываемых территориях. М, Стройиздат, 1983, 136 с”.

Здания проектируют по жесткой, податливой и смешанной конструктивным схемам.

При проектировании по жесткой схеме предусматривают усиление здания железобетонными поясами и другими конструкциями, повышающими жесткость и прочность здания до состояния, при котором несущие конструкции смогут сопротивляться деформациям земной поверхности.

Проектирование по податливой схеме имеет целью придать зданию определенную гибкость с таким расчетом, чтобы оно вписывалось в мульду сдвижения и при этом в несущих конструкциях не возникало опасных напряжений. Гибкость зданий создают путем применения специальных шарнирных вставок и связей, нежестких междуэтажных поясов, широких проёмов и пр.

Для защиты таких зданий от горизонтальных деформаций земной поверхности между наземной и подземной частью создают обычно шов скольжения. При использовании принципа податливости предусматривают меры по обеспечению пространственной устойчивости каждого отсека здания.

При проектировании по смешанной конструктивной схеме применяют различное сочетание жесткой и податливой схем. Например, подземную часть принимают податливой, а наземную —жесткой и т. д.

Для эксплуатируемых зданий, построенных без специальных конструктивных мероприятий, применяют следующие меры защиты:

1. разделение зданий на секции путем создания деформационных швов;
2. усиление зданий тяжами, установленными на одном или нескольких уровнях по периметру стен;
3. установка зданий на домкраты с подведением металлических или железобетонных обвязочных балок под наружные и внутренние стены;
4. отрывка вокруг зданий компенсационных траншей, концентрирующих в себе основные виды деформаций с целью разрядки напряжений в зданиях;
5. устройство железобетонных плит и поясов по грунту или на уровне перекрытия над подвалом;
6. подведение железобетонных фундаментов;
7. укрепление отдельно стоящих колонн и т. д.

Для уменьшения вредного влияния горных работ на технологическое оборудование его разрезают на отдельные блоки; предусматривают упругие связи или гибкие передачи между отдельными блоками и агрегатами; устанавливают оборудование на домкратах, позволяющих регулировать его положение при подработке; создают шарнирно-подвижные опоры и увеличивают площадь опорных плоскостей.

При проектировании трубопроводов различного назначения (газо-, водопроводов, канализации) в качестве мер защиты применяют:

засыпку трубопроводов грунтом, плохо сцепляющимся с трубопроводом (наиболее часто применяют песок или другие материалы, близкие по свойствам к песку);

устройство на поверхности трубопровода изоляции, уменьшающей коррозию металлических труб и снижающей сцепление с грунтом;

создание равнопрочных стыков;

установку сальниковых, П-об-разных и других компенсаторов.

Эффективным средством защиты является прокладка трубопроводов на поверхности земли на опорах различной конструкции.

При прокладке над горными выработками линий канализации трубопроводам задают избыточный уклон с таким расчетом, чтобы нормальная работа канализации сохранялась и после ее подработки.

В условиях крутого, складчатого и нарушенного залегания пластов, когда на земной поверхности образуются уступы, в местах пересечения линий канализации уступами целесообразно сооружать специальные колодцы. Трубы в колодцах должны иметь перепад, равный ожидаемой высоте уступа, а конструкция колодца должна обеспечивать возможность подвижки труб в колодце на высоту перепада.

Опоры подвесных дорог и высоковольтных линий электропередач, радио- и телевизионные вышки при необходимости укрепляют перед подработкой дополнительно растяжками. В отдельных случаях для выравнивания радио- и телевизионных вышек применяют поддомкрачивание и подклинивание.

При подработке железных дорог производят выправление продольного и поперечного профиля путей, регулировку зазоров между рельсами, расширение насыпи и другие работы, необходимые для обеспечения безопасной и бесперебойной эксплуатации подрабатываемых дорог.

Особое место среди конструктивных мер занимают методы защиты вертикальных стволов в силу специфических условий их работы. Стволы находятся в массиве горных пород, непосредственно связаны с ним и деформируются не только из-за неравномерного сдвижения пород, но и вследствие перераспределения напряжений в массиве, вызванного как проходкой стволов, так и влиянием очистных работ.

Поэтому при проектировании конструктивных мероприятий необходимо предусматривать защиту стволов и от сдвижения горных пород и от перераспределения напряжений.

Конструктивные меры защиты стволов стали внедрять относительно недавно, поэтому опыт их применения еще невелик. Тем не менее эти меры безусловно найдут широкое применение в практике горного дела, поскольку традиционные методы защиты стволов предохранительными целиками при больших глубинах разработки пластов становятся нерациональными.

Поскольку наиболее распространенным видом деформирования стволов является изменение их длины (укорочение или удлинение), конструктивные меры направлены прежде всего на защиту крепи и армировки стволов от этого вида деформаций. С этой целью в крепи ствола устраивают горизонтальные осадочные швы, заполняемые податливым или малопрочным материалом, уменьшают трение и ослабляют связи между крепью и окружающими породами, применяют специальные крепежные материалы или конструкции, на стыках проводников устанавливают компенсирующие узлы податливости или сменные вкладыши.

При наклонном и крутом падении пластов помимо вертикальных деформаций происходит изменение диаметра стволов, сдвиг поперечных сечений и срез крепи. Для защиты от этих видов деформаций применяют радиальные вертикальные податливые прокладки или специальные крепи, выдерживающие без разрушения изменение формы поперечного сечения; производят заполнение закрепного пространства сжимающимися или вязкими материалами. Иногда применяют также крепи из отдельных несвязанных элементов, из легких блоков на анкерах, штанговую крепь с сеткой и т. д.

Для обеспечения в период эксплуатации необходимых зазоров между крепью ствола, движущимися сосудами, армировкой и канатами при проектировании размеры и формы сечений стволов, а также расположение армировки и подъемных сосудов предусматривают с учетом предстоящих сдвижений массива пород. Обычно принимают схемы армировок с минимальным числом расстрелов и лунок за счет крепления части проводников к консолям и кронштейнам, с односторонним расположения проводников, а также путём применения проводников повышенной жесткости.

МЕТОДЫ ОХРАНЫ ОБЪЕКТОВ И СООРУЖЕНИЙ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ