Регулируемые факторы

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 и интенсивность процесса сдвиже­ния. Изменяя скорость подвигания, можно регулировать сроки и 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.

Заданные факторы

Угол падения пород является одним из основных факторов, оп­ределяющих угловые параметры процесса сдвижения и распределе­ния деформаций в мульде. Чем больше угол падения пород, тем положе углы β, β₀ и Θ. При достаточно крутых углах падения про­исходит сползание пород лежачего бока и резкое выполаживание угла у.

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 8.

На основании указанной зависимости Д.А. Казаковский соста­вил классификацию месторождений, используя прочностные свой­ства пород в качестве одного из определяющих признаков. На этом же принципе построены некоторые разделы правил охраны соору­жений от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях.

Существенное влияние на характер деформаций земной поверх­ности оказывает состав и соотношение пород толщи. Так, если со­держание в толще угленосных пород песчаников, конгломератов и известняков превышает 30%, группу, к которой необходимо отне­сти месторождение, повышают на одну единицу, что равнозначно повышению прочности пород массива примерно на 5—15 МПа.

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.

5.3.4 Методы определения основных параметров

процесса сдвижения по результатам

натурных наблюдений

В настоящее время определение параметров процесса сдвижения выполняется по единым требованиям и методикам, базирующимся на опыте наиболее изученных месторождений. Одним из таких ме­сторождений является Донецкий угольный бассейн, в котором сис­тематические инструментальные наблюдения за сдвижением горных пород и земной поверхности выполняются более 50 лет.

Изучение характера и измерение параметров сдвижения земной поверхности и толщи горных пород чаще всего ведут методами не­посредственных измерений перемещений пород. К их числу в пер­вую очередь относятся геодезические или маркшейдерские мето­ды — нивелирование для определения оседаний горных пород и ли­нейные измерения (иногда в сочетании с угловыми) для определе­ния горизонтальных деформаций.

Геодезические методы (нивелирование, полигонометрия, три­ангуляция и трилатерация) весьма широко применяются при ис­следовании процессов сдвижения горных пород именно в силу сво­их основных преимуществ — прямого характера измерений основ­ных величин, т. е. непосредственного измерения перемещений, а также возможности выполнения измерений практически без поте­ри точности в чрезвычайно широком диапазоне измерительных баз (от единиц метров до десятков километров).

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.

Выбор места заложения исходных пунктов в большинстве слу­чаев представляет собой весьма сложную задачу. В последние годы появился принципиально новый метод определения координат то­чек земной поверхности по расстояниям до искусственных спутни­ков Земли, координаты которых в данный момент времени извест­ны. Здесь в качестве исходных пунктов фактически используются искусственные спутники Земли, т. е. пункты, заведомо находящие­ся вне области сдвижения пород. В настоящее время точность оп­ределения координат земных пунктов составляет несколько милли­метров, что позволяет применять эту технологию для наблюдений за сдвижением горных пород.

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. В отдельных случаях, например при бесшахтных способах добычи по­лезных ископаемых, закладывают так называемые площадные наблю­дательные станции в виде квадратной сетки с реперами в вершинах квадратов над всей предполагаемой областью сдвижения.

В зависимости от назначения, конструкции и сроков существо­вания различают следующие типы наблюдательных станций.

1. Долговременная наблюдательная станция предназначена для получения основных параметров сдвижения горных пород и зем­ной поверхности, установления характера распределения деформа­ций в мульде сдвижения и закономерностей их накопления при выемке свиты пластов или одного пласта на нескольких горизон­тах. Продолжительность существования станции и наблюдений на ней не менее трех лет, с учетом этого реперы на станции этого типа закладывают капитально.

При закладке наблюдательных станций важно определение дли­ны профильной линии и ее отдельных участков. На рис. 20.4 при­веден пример такого определения при разработке двух пластов кру­того падения.

Рабочая часть профильной линии определяется пересечением земной поверхности линиями, проведенными от верхней и нижней границ проектируемой очистной выработки под граничными угла­ми ро и уо (точки А и Г). На каждом конце профильной линии за­кладывают не менее трех контрольных и двух опорных реперов. Расстояние между контрольными реперами примерно 15 м, между опорными 50 м. Участок, на котором ожидается появление уступов и трещин, определяется углом сдвижения (3 и углом максимального оседания 0 (участок БВ). На этом участке реперы закладываются через 2—3 м. Расстояние между реперами на остальной части ли­нии принимают равным примерно 0,1 Н, но не более 30 м.

Анализ результатов наблюдений и опыт составления типовых кривых показал, что более целесообразно принимать расстояние между реперами одинаковым и равным 15 м. В этом случае кривые деформаций легче сопоставлять, а анализ и обобщение полученных данных более правомерны, так как значения деформаций при про­чих равных условиях зависят от длины интервалов, при которых они получены.

2. Рядовая наблюдательная станция предназначена для получе­ния основных параметров сдвижения, его закономерностей и ха­рактера при выемке одного-двух пластов на одном горизонте. Про­должительность существования станции и наблюдений на ней обычно от одного года до трех лет. Однако в последнее время срок службы рядовых станций часто стал превышать три года, так как при современных глубинах продолжительность влияния даже од­ной лавы составляет три-четыре года.

3. Кратковременная наблюдательная станция предназначена для получения отдельных параметров сдвижения: скорости оседания и горизонтального сдвижения, скорости изменения вертикальных и горизонтальных деформаций, углов сдвижения по простиранию при движущемся забое. По результатам кратковременных наблюде­ний определяют значения сдвижений и деформаций, продолжи­тельность всего процесса сдвижения и его отдельных стадий. Срок службы кратковременной станции устанавливают в зависимости от конкретных условий и поставленных задач.

4. Специальная наблюдательная станция предназначена для де­тального изучения отдельных вопросов, связанных со сдвижением горных пород и земной поверхности, охраной конкретных соору­жений, горных выработок, природных объектов и пр.

Наиболее часто специальные станции закладывают для опреде­ления взаимосвязи деформаций грунта и сооружений, изучения влияния деформаций подработанной толщи и земной поверхности на фильтрацию из водных объектов в подземные горные выработки, установления условий и мест образования сосредоточенных дефор­маций (подвижек по напластованию, уступов и трещин), определе­ния зон разгрузки и повышенных напряжений в толще горных по­род для выбора рациональных параметров систем разработки, спо­собов охраны выработок и мер безопасного ведения горных работ.

К числу специальных относят иногда комплексные наблюдатель­ные станции, позволяющие сочетать наблюдения за сдвижением земной поверхности с наблюдениями за сдвижением пород вокруг очистных пространств, а также за сдвижением и деформированием промежуточной толщи пород между очистными пространствами и дневной поверхностью. Эти станции сложны и трудоемки по ис­полнению, но весьма эффективны, так как позволяют связать в единое целое разные формы проявления горного давления и сдви­жения пород.

Широкое применение для контроля состояния массива пород, подверженного сдвижению, находят геофизические наблюдения, в частности метод гамма-гамма-каротажа. В применяемом при этом скважинном глубинном приборе (зонде) помещают источник гам­ма-излучения и индикатор интенсивности последнего, разделенные свинцовым экраном. Индикатор интенсивности гамма-излучения (обычно сцинтилляционный счетчик) фиксирует ослабленное экра­ном прямое гамма-излучение источника и рассеянное гамма-излуче­ние пород, окружающих индикатор в скважине. Эффект рассеяния гамма-излучения от источника проявляется в различной степени для сред разной плотности. Таким образом, когда зонд при перемеще­нии по скважине проходит различные слои пород, соответственно их плотностям меняется эффект рассеяния гамма-излучения, что фиксируется на каротажной диаграмме. Метод гамма-гамма-карота­жа позволяет определять изменения плотности при разрыхлении по­род в процессе их сдвижения, а также устанавливать участки толщи, где происходит расслоение пород при сдвижении.

Для определения участков нарушения сплошности породного массива и абсолютных величин расслоения пород при их сдвиже­нии применяют также различные оптические приборы и телевизи­онные установки, упоминавшиеся при описании методов контроля состояния массива пород в пределах зон неупругих деформаций вокруг выработок.

Следует отметить, что задачи контроля состояния массива по­род в пределах зоны неупругих деформаций и зоны сдвижения по­род очень близки по смыслу, а потому и методы практически ана­логичны, за исключением некоторых особенностей, связанных главным образом с различными условиями работы на поверхности и под землей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каспарьян Э.В. и др. Геомеханика: Учебное пособие. – М.: Высш шк., 2006. - 503 с.

2. Гончаров М.А. и др. Введение в тектонофизику: Учебное пособие. – М.: КДУ, 2005. 496 с.

3. Каркашадзе Г.Г. Механическое разрушение горных пород: Учебное пособие для вузов. – М.: Изд. МГУ. – 222 с.

4. Михайлов А.Е. Структурная геология и геологическое картирование: Учебное пособие для вузов. – М.: Недра, 1984. – 464 с.

5. Чернышев С.Н. Трещины горных пород. – М.: Наука, 1983. – 240 с.

Дата добавления: 2014-12-07