Основные понятия

СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

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 h. Соответственно горизонтальные составляющие называют горизонтальными сдвижениями и обозначают x (в направлении вкрест простирания) и z, (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—15 мм). Различают граничные углы по простиранию d_о, по падению b_о и по восстанию g_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 d - по простиранию; b - по падению и g - по восстанию залежи. Различают углы сдвижения в коренных породах (d, b и g) и внаносах (j).

Выделяют также углы разрывов (d¢, b¢, g¢) — 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—10° 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 - y₁, y₂, и y₃. При неполной подработке положение точки, имеющей максимальное оседание, определяется углом максимального оседания q.

В условиях неполной подработки максимальное оседание наблюдается, строго говоря, в одной точке мульды сдвижения и обозначается h _max, а при полной подработке значения максимальных оседании характерны для множества точек плоского дна, они обозначаются h 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 К_р — 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 R_Kр = 1/ К_р;

г) относительные горизонтальные деформации в мульде сдвижения e — отношения разности горизонтальных сдвижений двух точек мульды к расстоянию между ними, выраженное безразмерной величиной. При растяжении e 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 K_p = 2-10 ^-4 м^-1;

горизонтальные деформации (растяжение) e = 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.

Дата добавления: 2014-12-16