Материал: Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

Рис. 24.

Горизонтальные сдвижения точек А и В, заложенных в сложенной упругими породами

слоя, параллельного напластованию. Хотя знак горизонтальных сдвижений вдоль вертикальных линий Р \Р\ и Р 2 Р2' и меняется, но в отличие от деформа­ ций при изгибе тонкой упругой балки зон;а растяжений простирается по диа­ гонали от области в середине нижней части массива к краевой зоне в его верх­ ней части, что можно отнести за счет касательных напряжений при кручении, возникающих при сводообразном деформировании толстых плит. Возникнове­ ние внешних областей сжатия можно объяснить изгибом кровли над краем пласта, при котором частицы пород кровли смещаются по направлению к вы­ работанному пространству (рис. 24). Остальные зоны деформаций — зона рас­ тяжений в средней нижней части массива у точки Р\, зона сжатий в средней части у точки Р х и зона растяжений у края верхней части массива — анало­ гичны таким же зонам в изогнутой балке.

Горизонтальные сдвижения, рассчитанные но методу конечных элементов для вертикального сечения в однородном упругом породном массиве, непо­ средственно над и под очистной выработкой направлены к зоне опорного давле­ ния (см. рис. 23). Сдвижения над выработанным пространством соответствуют деформациям растяжения пород, а над зоной опорного давления наблюдается сжатие. На земной поверхности, наоборот, горизонтальные сдвижения напра­ влены к центру мульды оседания, так что у края мульды имеет место растяже­ ние, а в ее центре — сжатие, причем наибольшие горизонтальные сдвижения наблюдаются в месте перемены знака относительных деформаций. В средней зоне массива горных пород точки в краевой зоне смещаются наружу, а над выработанным пространством — внутрь. Точка Ри 1 в которой изменяется знак горизонтальных сдвижений, перемещается от горизонта к горизонту по пока­ занной на рис. 23 пунктиром диагональной кривой.

Сдвижения точек по направлению к зоне опорного давления неоднократно наблюдались в упруго изгибающихся слоях пород основной кровли, однако из-за того, что измерение сдвижений начиналось только после выхода наблю­ даемой точки в выработанное пространство (как, например, в точке В на рис. 24), создавалось ошибочное впечатление, что сдвижение происходит в об­ ратном направлении, т. е. в сторону выработанного пространства.

Наибольшую величину горизонтальные сдвижения земной поверхности, основной кровли и почвы пласта имеют над и под очистным забоем (см. рис. 23).

В средней зоне массива максимальные горизонтальные сдвижения происходят

вместах перемены их знака, т. е. в зоне опорного давления и над выработан­ ным пространством. Любая проходившая через породный массив до начала очи­

стных работ вертикальная прямая линия (например, линия на рис. 23), кроме линии, проходящей через центр очистной выработки, в результате гор­ ных работ искривляется, приобретая S-образную форму, и наклоняется в сто­ рону середины очистной выработки. Равным образом любое сечение массива, представлявшее собой до подработки вертикальную плоскость, в противополож­ ность справедливой для тонких балок теореме Бернулли, после подработки не остается плоским, а становится волнистым. На горизонте разрабатываемого пласта кривая горизонтальных сдвижений для точек вертикального сечения имеет излом, поскольку почва пласта смещается в сторону зоны опорного давления на меньшую величину, чем кровля (см. рис. 23).

Анализ распределения горизонтальных сдвижений в вертикальной и гори­ зонтальной плоскостях показывает, что элементарный объем кубической формы в нижней части зоны опорного давления испытывает всестороннее сжатие, внизу средней части массива — всестороннее растяжение, в верхней части зоны опорного давления деформируется, превращаясь в лежачий параллелепипед, а вверху средней части массива превращается в вертикальный параллелепипед

2.4.

Процесс сдвижения при наклонном залегании пород

В массиве горных пород, сложенном наклонными слоями, точки с максималь­ ным оседанием i;zmax располагаются по линии, идущей от слоя к слою сначала по нормали к напластованию, а затем отклоняющейся по восстанию и идущей к земной поверхности в пределах зоны, ограниченной вертикальной и нормаль­ ной к напластованию прямыми, проходящими через точку кровли с максималь­ ным оседанием (Ртах на рис. 25). Поэтому образующиеся на каждом горизонте м у л ь д ы о с е д а н и я будут несимметричными относительно вертикаль­ ной плоскости. Таким образом, сдвижения горных пород, которые на горизонте очистной выработки определяются прогибом слоев по нормали к напластова­ нию, по мере приближения к земной поверхности все в большей степени зависят от направленной вертикально силы тяжести, вследствие чего кривые оседания

Рис. 25.

Сдвпженпя и деформации массива горных пород при крутом падении пласта:

1 — полумульда по восстанию; II — полумульда по падению; I II — зона, прилегающая к земной по­

верхности; IV — средняя зона; 1 — основная кровля; 2 — пласт; з — почва пласта; 4 — очистная выра­ ботка; 5 — кровля; 6 — почва

по восстанию пласта становятся более крутыми, чем по падению. Граничные углы и Тя ) построенные от верхней и нижней границ очистной выработки к границам мульды оседания на земной поверхности (угол уь строится от почвы, а ун — от кровли пласта), также будут различны, так как над нижней грани­ цей очистной выработки сдвижения распространяются в породном массиве на большее расстояние и, следовательно, образуют более пологую мульду оседа­ ния. Из формулы (5) следует, что при наклонном залегании пласта нормальная к напластованию составляющая горного давления уменьшается (см. табл. 3), а поэтому слои горных пород над наклонной очистной выработкой будут про­ гибаться в меньшей степени, чем при горизонтальном залегании пород. Обусло­ вленное разгрузкой сдвижение пород почвы в выработанное пространство при малых глубинах разработки может распространяться вплоть до выхода наклон­

Направление

лаввигания

У.

Уу

женин, направленные по восстанию. Это имеет место в случае, если породы над очистной выработкой перемещаются приблизительно по нормали к напла­ стованию (см. схему в правом нижнем углу рис. 25), т. е. если существует за­ висимость

vg = уноРм sin a, j Vz = vHори cos a. J

Эта составляющая сдвижения с увеличением угла падения (см. рис. 25) способствует увеличению горизонтальных сдвижений пород основной кровли

исредней зоны, направленных по восстанию пласта. Угол между вертикалью

ирезультирующей сдвижения возрастает в кровле очистной выработки снизу вверх, а в почве — сверху вниз. В направлении простирания пласта точки мас­

сива горных пород при приближении очистного забоя немного смещаются

всторону зоны опорного давления, а после прохождения забоя возвращаются

впрежнее положение (см. рис. 26). Как показали результаты натурных изме­ рений, в направлении вкрест простирания такого возвратного смещения не происходит даже при полной подработке (которая, правда, при наклонном залегании достигается только при малой глубине разработки). Составляющая горизонтального сдвижения по простиранию при крутом падении составляет

только около 0,1 сдвижения вкрест простирания, так что обычно наблюда­ ющееся в штреках сдвижение по простиранию искажается влиянием смещений, вызванных расслоением пород, простирающимся на 5—7 м в глубь массива, и может вследствие этого оказаться незамеченным. Ниже очистной выработки, где слои пород почвы поднимаются за счет деформаций растяжения при разгруз­ ке, сдвижения направлены по падению пласта.

Зона вертикального обжатия над контуром выработки распространяется в сторону выработанного пространства, а поэтому область деформаций растя­ жения над выработанным пространством оказывается более узкой, чем при горизонтальном залегании пласта. Расположение зон растяжения и сжатия показано на рис. 25, хотя указать их точные границы пока вряд ли возможно. Можно только указать, что область растяжений со стороны восстания пласта