Материал: Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

возникающие при перемещении узловой точки и или v па расстояние, равное единице. Чтобы результирующая внутренних сил в каждой узловой точке уравновешивалась обеими внешними составляющими сил — нагрузкой и из­ гибающими усилияхми (см. рис. 49), единичные силы матрицы жесткости си­ стемы должны умножаться только на одну величину — неизвестное пере­ мещение узловой точки. Решение этой системы уравнений (на каждую узло­ вую точку по два уравнения составляющих, перемещения) дает искомые зна­ чения перемещений узловых точек под действием внешних нагрузок в соответ­ ствии с выражением (75) или (76).

Для выполнения вычислений при помощи ЭВМ все узловые точки и эле­ менты на разрезе слоистого породного массива должны быть занумерованы. Данные для расчета должны быть зафиксированы на перфокартах в следующем порядке:

3) контрольные карты для хода программы; б) отдельная перфокарта для каждого элемента с внесенными в нее данными

о номерах узловых точек, модуле упругости пород, их плотности и коэффи­ циенте бокового расширения;

в) для каждого элемента еще одна перфокарта с данными о координатах его вершин и о заданных величинах нагрузок на узловые точки и перемещений этих точек;

г) для каждой узловой точки отдельная перфокарта с данными о допол­ нительных ограничениях (например, для направления или величины переме­ щений на горизонте очистной выработки) для дайной и соседних с нею узловых точек.

Вычисленные значения перемещений узловых точек выдаются на печать вместе с деформациями и напряжениями для отдельных элементов.

Метод конечных элементов впервые дал возможность установить взаимо­ связь между оседаниями, горизонтальными сдвижениями, напряжениями и деформациями и получить полную картину развития процесса сдвижепия во всех породных слоях от очистной выработки до земной поверхности на основе приемлемых законов механики. Слоистость породного массива при этом учи­ тывается при построении сетки элементов, поскольку для каждого элемента могут быть выбраны различные характеристики пород, а также заданы име­ ющиеся в массиве поверхности скольжения и разрывные нарушения. Исправ­ ленные значения геомехаиических характеристик могут быть введены в оконча­ тельную программу вычислений без необходимости вносить изменения в структурную матрицу. К недостаткам метода следует отнести то, что он пока еще может быть применен только для решения плоской задачи и не распро­ страняется на реологические и пластические составляющие деформаций, хотя и дает уже некоторые возможности в отношении их определения.

СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ВБЛИЗИ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ

4.1.

Повреждения шахтной крепи, вызываемые сдвижениями горных пород

Горные разработки причиняют ущерб не только земной поверхности и нахо­ дящимся на ней сооружениям, но и подземным горным выработкам, и если в подготовительных и очистных выработках приходится иметь дело главным образом с проявлениями горного давления, рассматриваемыми в механике горных пород (горной геомеханике), то в шахтных стволах этот ущерб нано­ сится только сдвижениями горных пород. Поэтому специалистам по защите подрабатываемых сооружений приходится заниматься также и вопросами повреждений шахтной крепи, по которым уже имеется довольно обширная литература. Для нормальной эксплуатации шахт большое значение имеет защита от повреждений шахтных стволов, являющихся особо важными горными выработками, обеспечивающими возможность выдачи на поверхность добыва­ емого полезного ископаемого, проветривания подземных выработок и связыва­ ющими эксплуатационные горизонты как между собой, так и с расположенными на земной поверхности сооружениями. До конца X IX в. было достаточно, чтобы горные работы не приближались к шахтному стволу на некоторое рас­ стояние, т. е. чтобы ствол не находился в зоне сдвижений, но по мере увеличе­

книзу конуса, ограниченного углами разрыва или граничными углами; одяако заключенные в пределах контура целика значительные по площади участки угольных пластов редко оставались нетронутыми, и шахтный ствол в конце концов все же оказывался в зоне влияния приблизившихся к нему очистных работ.

При ведении горных работ в пределах предохранительного целика шахт­ ные стволы нередко подвергаются воздействию сдвижений в массиве горных пород по всей своей длине, достигающей 1000 м. В нижней части ствола на­ блюдается поднятие, связанное с пучением почвы очистной выработки. Опу­ скающиеся слои пород кровли стремятся сместить книзу верхнюю часть шах"т- ного ствола, связанную с породами покрывающей толщи силами сцепления пород с бетонной крепью или внедряющимися в породный массив выступами крепи. При этом па горизонте очистных работ в результате обжатия пород часто возникают серьезные повреждения крепи и армировки ствола, для ре­ монта которых без прекращения работы шахтного подъема требуются значи­ тельные материальные затраты. На участках, расположенных выше эксплуа­ тационного горизонта, подработанный шахтный ствол подвергается растяже­ нию в направлении своей оси под действием разгрузочных сдвижений, про-

Рис. 50.

Разрез массива горных пород, окружающего шахтный ствол, с указанием границ околостволыюго предохранитель­ ного целика цилиндрической или конической формы (гра­ ницы конических целиков по­ строены при помощи угла раз­ рыва Р или граничного угла у):

ного целика; 1 — шахтный ствол; 2 — угольный пласт; 3 — попереч­ ное сечение шахтного ствола

исходящих в окружающих ствол породах в направлении, нормальном к на­ пластованию. При ведении очистных работ у границ предохранительного целика ближайшая к земной поверхности часть шахтного ствола оказывается в области сжатия в зоне опорного давления, в которой вышележащие точки породного массива оседают сильнее нижележащих, и именно в этой части ствола, обычно проходящей по водоносным породным слоям, возможное воз­ никновение трещин в крепи особенно опасно.

Под действием горизонтальных составляющих сдвижения шахтный ствол в области влияния почвы и основной кровли пласта смещается относительно

ствол претерпевает наклон в сторону выработанного пространства. Наклон ствола начинается впереди приближающегося очистного забоя, в зоне опорного давления, причем наклон достигает максимума позади забоя вблизи линии PJ?'z (см. рис. 23), а затем уменьшается до центральной линии Р±Р\, где шахтный ствол вновь имеет вертикальное положение. В испытывающем на­ клон шахтном стволе может наблюдаться повышенный износ проводников шахтного подъема, однако при плавном развитии процесса сдвижения крепь ствола может и не нарушиться, так как сближение стенок ствола диаметром 6 м при относительном сжатии пород порядка 2 мм/м составит всего 12 мм. Такая деформация почти полностью компенсируется за счет образования в ок­ ружающих породах свода давления, а также за счет уплотнения пород.

Применяемый с конца 30-х годов метод расчета деформаций крепи шахт­ ных стволов основывается на допущении, что шахтная крепь па любой глу­ бине полностью следует за сдвижениями окружающих ствол пород и что, следовательно, деформации крепи в направлении оси ствола равны вертикаль­ ным деформациям породного массива. Таким образом, прогноз воздействия горных работ на шахтный ствол сводится к расчету оседаний слоев горного массива. Для этого с помощью интеграционной сетки (см. рис. 38) типа, Применяемого при расчете оседаний земной поверхности, производится расчет ожидаемого оседания точек по оси шахтного ствола через интервал 50 м и по разностям оседаний двух соседних по глубине точек определяются относительные

деформации сжатия или растяжение пород на соответствующих участках ствола, которые и принимаются за ожидаемые деформации крепи (табл. 5).

Хотя этот простой метод расчета деформаций успешно применяется для прогноза осевых нагрузок на шахтную крепь уже на протяжении более чем трех десятилетий, лежащая в его основе предпосылка «деформации крепи равны деформациям пород» в основном справедлива только для средней части шахтного ствола, а не для его участков, ближайших к земной поверхности или к эксплуатационному горизонту. Наблюдения показывают, что устье шахтного ствола часто заметно поднимается из грунта, что говорит о наличии смещения крепи верхнего участка ствола относительно вмещающих ствол пород. При ведении горных работ во внутренней части предохранительного целика непосредственно над и под горизонтом очистной выработки наблюдаются