Проявление масштабного эффекта 5 страница

В одних случаях за границу области опорного давления прини­мают точки, в которых напряжения равны начальной величине, на­пример уН (где у — объемный вес налегающих пород), или откло­няются от этой величины не более чем на 5%; в других — принима­ют точки, скорость смещения которых равна скорости смещения в подобных выработках, проведенных в нетронутом массиве, и т. д.

Часто область опорного давления определяют по ее проявле­нию в подготовительных и капитальных выработках, попадающих в зону влияния очистных работ. Поскольку жесткость крепей в этих выработках различная, степень влияния опорного давления в них проявляется по-разному. Поэтому из общей области иногда выделяют область вредного влияния, которая определяется с уче­том жесткости крепи и условий эксплуатации выработки.

Во многих инженерных расчетах ширину области опорного дав­ления (L) связывают с величиной граничного угла. Так, при опре­делении ее размеров в условиях горизонтального залегания пластов пользуются выражением

L = N ctg δ_o, (20.9)

где δ₀ — граничный угол.

Согласно этому выражению ширина области опорного давле­ния при постоянном значении граничного угла находится в линей­ной зависимости от глубины горных работ. Такое допущение спра­ведливо только при небольшом диапазоне изменения глубин. В об­щем случае эта зависимость нелинейна.

Опорное давление распространяется в породы кровли и почвы пласта. Вниз оно распространяется на расстояние, равное пример­но ширине области опорного давления в плоскости пласта, а вверх — на высоту, превышающую это расстояние в 1,2—1,5 раза. Проявления опорного давления в Донецком бассейне наблюдались в породах кровли на расстоянии 170 м от пласта и в породах почвы на расстоянии 110 м. При наличии целиков в выработанном про­странстве эти расстояния существенно увеличиваются и достигают 250 м в породах кровли и 150 м в породах почвы.

Третья область — область полных сдвижений — характеризуется перемещением слоев параллельно своему первоначальному поло­жению. Векторы сдвижения в этой области направлены по норма­ли к напластованию и имеют наибольшие для данных условий (мощность и угол падения пласта, способ управления горным дав­лением и т. д.) значения. Слои горных пород после окончания про­цесса сдвижения получают опору на почве вынимаемого пласта.

Область полных сдвижений располагается над выработанным пространством и оконтуривается на вертикальном разрезе вкрест простирания пластов (см. рис. 20.2) линиями, проведенными от границ выработанного пространства под углами полных сдвижений \|/i и \|/2- Эти углы зависят от углов падения пластов и от того, в ка­ком месте находится очистная выработка по отношению к старым выработкам.

Если прежние работы вели ниже (по падению) действующей очистной выработки, то угол \\f\ становится круче, а угол V|/₂ положе, чем при первичной подработке. И наоборот, если работы вели выше (по восстанию), угол \\f\ выполаживается, а угол \|/₂ становит­ся круче. Значения углов полных сдвижений приведены в дейст­вующих правилах охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок.

В зоне / (зоне обрушения) (см. рис. 20.2), расположенной непо­средственно над очистной выработкой, породы наиболее деформи­рованы и разделены на отдельные куски и мелкие блоки. В практи­ке горного дела высоту этой зоны принимают равной 3...6 т, где т — вынимаемая мощность пласта.

Зона 2 (зона разломов), прилегающая к зоне обрушения, харак­теризуется развитием в прогибающихся слоях нормально секущих трещин и трещин расслоения, разбивающих массив на крупные блоки и образующих систему сквозных водо- и газопроводящих ка­налов с малым аэродинамическим сопротивлением, не оказываю­щим влияния на прохождение по каналам растворов и газов.

В зоне 3 (зоне активных трещин) секущие трещины, идущие от верхней и нижней поверхности изгибающегося слоя, достигают трещины расслоения и создают систему водо- и газопроводящих трещин со значительным аэродинамическим сопротивлением, ко­торое растет пропорционально удалению их от разрабатываемого пласта.

В зоне 4 (зоне локальных трещин) деформации растяжения, вы­званные изгибом слоя, достигают критических значений в волок­нах, прилегающих к верхней и нижней поверхностям слоя. Чем ближе слой расположен к горным работам, тем глубже распростра­няются в нем критические деформации. Одновременно под влия­нием касательных напряжений, вызываемых изгибом слоя, в нем появляются деформации сдвига и зарождаются трещины расслое­ния. Но поскольку протяженность этих трещин и глубина секущих трещин невелики, сквозной водо- и газопроводящей системы тре­щин в этой зоне не образуется.

Зона 5 (зона плавного прогиба) характеризуется прогибом пород без разрыва их сплошности.

Зоны 6 и 7 находятся в области опорного давления, при этом в зоне 6 преобладают упругие деформации, а в зоне 7 — неупругие.

Зона 6 обычно называется зоной опорного давления, так как для ее описания используются те же характеристики, что и для области опорного давления.

Зону 7 условно называют зоной предельно-напряженного состоя­ния, хотя деформации непосредственно около поверхности обнаже­ния являются, как правило, запредельными. В этой зоне породы последовательно испытывают все виды деформаций — от значи­тельного всестороннего сжатия на границе с зоной упругих дефор­маций до разрушения и сильного разрыхления вблизи от обнаже­ния. При этом основные необратимые деформации происходят по природным системам трещин, что сопровождается подвижками по поверхностям структурных элементов. В меньшей степени и пре­имущественно непосредственно у забоя происходит рост и раскры­тие трещин, параллельных обнаженной поверхности.

Перечисленные зоны (за исключением зоны 7) находятся в подработанной толще пород. Зона 7 распространяется как на под­работанную, так и на надработанную толщу, но в основном она проявляется в самом разрабатываемом пласте.

В надработанной толще имеется пять зон (зона обрушения от­сутствует), при этом зоны 8—12 по своим качественным характери­стикам соответствуют зонам 2—6 подработанной толщи, но все зоны, образующиеся в надработанной толще, расположены ближе к разрабатываемому пласту, чем к подработанной толще.

В прилегающем к земной поверхности слое (или пачке слоев, деформирующихся как одно целое) в результате изгиба образуются зоны растяжения и зоны сжатия, при этом зоны растяжения изоли­рованы друг от друга, а зоны сжатия практически сливаются.

Зоны 13 и 14— зоны растяжений. Зона 13 характеризуется мак­симальным растяжением изгибающегося слоя (пачки слоев) и по­степенным затуханием растяжений от верхних пачек к нижним; зона 14, наоборот, — максимальным растяжением нижних пачек этого слоя и постепенным затуханием растяжений от нижних пачек к верхним.

В зоне 15 (зоне сжатий) происходит сжатие слоя (пачки слоев). Эта зона включает в себя практически сливающиеся участки, в ко­торых вследствие изгиба возникает сжатие вдоль слоя (пачки сло­ев). Степень затухания сжатий здесь так же, как и в зонах растяже­ний, уменьшается от поверхности слоя (пачки слоев) в глубь его.

При определенных углах падения пород происходит сползание слоев (преимущественно по плоскостям напластования) и в толще появляется зона 16 {зона сползаний), располагающаяся преимущест­венно в кровле пласта. В условиях крутого (реже наклонного) зале­гания слоев она распространяется и в сторону почвы пласта.

В зависимости от условий разработки, способов управления кровлей и других влияющих факторов число и местоположение зон могут отличаться от приведенной 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 и трещин. При малой вынимаемой мощности пла­ста и пластичных вмещающих породах могут отсутствовать также зоны разломов и трещин. В тех случаях, когда над пластичными слоями залегают хрупкие породы, зоны трещин могут получить развитие и над зоной плавного прогиба.

Наряду с общими чертами процесс сдвижения горных пород на отдельных месторождениях имеет свои специфические особенности.

При горизонтальном и пологом залегании пород (первая группа месторождений) слои в толще изгибаются подобно плитам, защем­ленным по концам. Слой пород, прилегающий к земной поверхно­сти, изгибается подобно плите, лежащей на упругом основании. Вертикальные сдвижения (оседания) и их производные (наклоны и кривизна) в этих условиях значительно преобладают над горизон­тальными. Последние являются в основном следствием изгиба сло­ев и зависят от стрелы прогиба (максимального оседания) и их мощности.

Обычно максимальное горизонтальное сдвижение в толще по­род составляет 0,1—0,3, а на земной поверхности 0,3—0,5 значения максимального оседания. Кривизне выпуклости соответствует рас­тяжение, кривизне вогнутости — сжатие.

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. Слои пород, из­гибающиеся подобно консольным плитам, выходят на земную по­верхность в полумульде по падению пластов. В этой полумульде наблюдаются обычно растяжения, а в полумульде по восстанию преобладают сжатия, за исключением участков, на которых проис­ходят подвижки по напластованию слоев.

На выходах мощных крутопадающих пластов образуются прова­лы. При наклонном и особенно крутом залегании пластов горизон­тальные сдвижения и деформации преобладают над вертикальны­ми. Кривые деформаций 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 (четвертая 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).

При мощности менее 20 м и долевом участии менее 10 % наносы практически не оказывают влияния на характер процесса сдвижения.

В тех случаях, когда наносы составляют 10—50 % общей толщи пород, их влияние проявляется в сглаживании степени влияния угла падения основных пород на процесс сдвижения. При этом распределение деформаций в мульде сдвижения подобно распреде­лению деформаций при некотором условном угле, промежуточном между углом наклона коренных пород и наносов.

При мощности наносов более 100 м и их долевом участии более 50 % влияние угла падения на развитие процесса сдвижения почти полностью сглаживается и характер распределения деформаций в мульде сдвижения становится аналогичным горизонтальному зале­ганию коренных пород. В этих условиях происходит обычно сдвиг коренных пород относительно наносов, вызывающий нередко зна­чительные деформации вертикальных стволов шахт.

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. массивам неслоистого строе­ния, 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 часто 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 неоднородностеи, в частности крутопадающие тектонические трещины, особенно если они подсечены горными работами.

Края мульды сдвижения круче, а ее граница выражена четче, чем при слоистых породах. Нередко эта граница проходит по край­ней трещине на земной поверхности, и углы сдвижения совпадают с углами разрывов. Значения этих углов больше зависят от углов наклона трещин, по которым происходит сдвиг блоков, чем от уг­лов падения залежи и прочности вмещающих пород.

На рис. 20.3 в качестве примера приведена схема развития процессов сдвижения в условиях апатитонефелиновых месторождений Хибин.

На рис. 20.3 зона обрушения 1 представляет собой область массива, в которой породы в результате беспорядочного движения превращены в не­связную массу с коэффициентом разрыхления более 1,3. В этой зоне в результате выпуска руды из эксплуатируемых блоков на поверхности обра­зуются воронки и провалы. Границы зоны определяются углом β_обр — по углу падения естественных трещин или зон ослабления, по которым про­исходит отрыв, в данном случае 57° < β_обр > 90°.

К зоне обрушения примыкает зона сдвигов или террас 2, в пределах ко­торой происходит сдвиг и оседание крупных блоков с образованием террас на поверхности. Внешней границей зоны террас является контур крайних трещин с раскрытием и высотой уступа более 0,25 м.

Рис. 20.3. Схема развития процессов сдвижения в условиях

Апатитонефелиновых месторождений Хибин

За зоной террас следует зона трещин 3, в которой деформации сопро­вождаются смещением пород с образованием трещин на поверхности. Гра­ницы этой зоны определяются углом β' = 75°.

Кроме угловых параметров, границы зон сдвижений дневной поверхно­сти определяются линейными параметрами — шагом обрушения l₀, высотой стенки обрушения h₀ и длиной фронта подработки по простиранию L.

Зона 4 — зона плавных сдвижений — определяется углом β = 70°.

Сдвижение пород лежачего бока на данных месторождениях не наблюдается.

Состояние зданий, сооружений, горных выработок и природ­ных объектов, а также степень дегазации угольных пластов опреде­ляются тем, в какую зону деформирования они попадают. Изменяя порядок ведения горных работ, способ управления горным давле­нием, размеры и взаимоположение очистных выработок, вынимае­мую мощность пласта, скорость подвигайия очистного забоя и дру­гие параметры горных работ, можно регулировать развитие дефор­мационных и дегазационных процессов, а также размеры и место­положение отдельных зон деформирования.

5.3.3 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, меняя скорость подвигания забоя, можно ускорить или замедлить процесс сдвижения, изменяя способ 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.

Дата добавления: 2014-12-07