Материал: Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

целика конвергенция в нижележащем выемочном ноле редко бывает больше, чем конвергенция, обусловленная влиянием границы очистной выработки, так как при давлениях более 2000 Н/см2 конвергенция в закладке увеличивается лишь в незначительной степени. Отсюда следует, что указанный выше прирост кон­ вергенции от влияния давления под контуром очистной выработки (4—5% аМ) может быть принят и для оценки влияния от оставления целиков. Однако ширина зоны повышенной или повторной конвергенции под оставленным цели­ ком бывает, как правило, больше, чем под контуром очистной выработки — приближенно границы этой зоны определяются линией, оконтуривающей об ласть, в пределах которой давление не превышает 50% опорного давления

6.5.

Изменение давления горных пород во времени

Поле напряжений над и под очистной выработкой в ходе очистных работ быстро меняется как в отношении пространственного распределения напряжений, так и в отношении изменения их величины (сравнить первую и вторую стадии раз­ вития процесса оседаний на рис. 30). Только после прекращения горных работ восстанавливается стационарное поле напряжений, отвечающее предваритель­ ному состоянию равновесия, наступающему после затухания процесса сдвиже­ ний, т. е. через 1—5 лет после прекращения горных работ (третья стадия раз­ вития процесса на рис. 30). После этого происходит длительный процесс обра­ зования трещин и деформаций, приводящий в конце концов к взаимной компен­ сации сжимающих и растягивающих напряжений. Теоретически этот процесс реологического выравнивания поля напряжений может продолжаться беско­ нечно долго, однако практически его можно считать в общем и целом закончи­ вшимся, когда все пустоты и зазоры в выработанных пространствах полностью заполнятся и разрыхленные участки породного массива горных пород доста­

или на расположенный между двумя очистными выработками целик постепенно возрастает, потому что нагрузка на закладку и на неподвижную границу вы­ работки возрастает пропорционально степени подработанности породного мас­ сива, пока не будет достигнута площадь очистной выработки, соответствующая полной подработке. Следовательно, прирост горного давления во времени зави­ сит в основном от подвигания очистных работ. В двух выемочных полях, нахо­ дящихся на одной и той же глубине, при одинаковой скорости подвигания очи-^ стных работ давление над границей выработки и разгрузка пород почвы во вре­ мени будут более интенсивными в той очистной выработке, в которой породные слои кровли имеют большую изгибную жесткость, пласт сложеп более жестким углем, закладка обладает большей податливостью и вынимаемая мощность больше. В противоположность этому возвращение массива горных пород в пер­

сложен более слабым углем, закладка более уплотнена и вынимаемая мощность

Изменение во времени горного давления над очистной выработкой (очистные работы ведутся •слева направо):

I — забой, от которого начинались очистные работы; II — значительная конвергенция; III — конечное положение забои; р, — давление; р2 — разгрузка

меньше. На третьей стадии развития процесса сдвижений, длящейся от одного до пяти лет после прекращения горных работ, давление на исходный (непод­ вижный) забой и на оставленный целик несколько снижается, так как по мере прогиба слоев горных пород кровли и уплотнения закладки возрастает доля нагрузки, воспринимаемая полем закладки (рис. 79). Соответственно этому происходит и разгрузка в породных слоях, залегающих над и под выработан­ ным пространством.

Над движущимся (добычным) забоем давление в начале отработки выемоч­ ного поля возрастает до тех пор, пока очистная выработка не достигнет таких размеров, зависящих от подвигания забоя и от степени деформирования кровли и закладки, при которых увеличение несущей способности закладки за опре­ деленный промежуток времени соответствует приросту нагрузки от вновь под­ работанного породного блока. При этом опорное давление над движущимся очистным забоем сохраняется примерно постоянным. После прекращения очист­ ных работ давление над этим забоем несколько снижается, если вследствие •сильного прогиба породных слоев кровли в краевой области выемочного поля возрастет доля нагрузки, воспринимаемой закладкой или обрушенными по­ родами.

Распределение напряжений в массиве горных пород и процесс возникнове­ ния в нем трещин поддаются регулированию проведением таких горнотехниче­ ских мероприятий, как выбор надлежащей скорости подвигания очистных ра­ бот, правильная организация циклического рабочего процесса и выбор той или иной системы разработки (с обрушением кровли или с закладкой выработан­ ного пространства). При большой скорости подвигания очистных работ, напри­ мер 5 м/сут (в условиях разработки каменного угля), над границей очистной выработки происходит быстрая смена нагрузки и разгрузки слоев горных пород, повышающая склонность пород к разрушению в такой же степени, как хмена быстрого и замедленного прогиба слоев горных пород кровли над не

успевшей еще уплотниться закладкой или обрушенными породами, в конце рабочей недели после непрерывного ведения добычных работ в течение 5 сут. Для выемки угля с обрушением кровли необходимо, чтобы породы были сильно­ трещиноватыми, так как при этом слои горных пород основной кровли проги­ баются и искривляются почти вдвое сильнее, чем при разработке с полной закладкой выработапного пространства.

Обобщая сказанное выше, можно сделать следующие выводы относительно зависимости напряженного состояния массива и процесса сдвижений от трещи­ новатости и степени подработаыности породного массива. Расслоение и трещино­ ватость массива горных пород, помимо природной структурной трещиноватости слоев горных пород, зависят от технологии очистных работ, последовательности ведения этих работ во времени (ритма горных работ) и от степени подработанности массива. В свою очередь, степень подработаиности горного массива определяется числом одновременно разрабатываемых пластов, залегающих на разных горизонтах, и полнотой выемки полезного ископаемого, т. е. нали­ чием краевых зон, границ очистных выработок и оставленных целиков.

6.6.

Разбухание слоев горных пород, содержащих глинистые компоненты

Нарушенные проведением горных выработок слои горных пород разупрочияются и разрыхляются за счет образования трещин и при разгрузке упруго деформируются, увеличиваясь в объеме. Однако объем горных пород может увеличиваться также вследствие их разбухания, если залегающие слои содер­ жат глинистые компоненты и подвержены воздействию подземных вод или влаги, содержащейся в воздухе. Вследствие такого объемного расширения вскрытых слоев горных пород, не зависящего от напряженного состояния гор­ ного массива, выработанное пространство может в такой степени сократиться, что заметно уменьшатся сдвижения горных пород, вызванные ведением гор­ ных работ.

Давно известна способность глинистого известково-слюдистого мине­ рала — монтмориллонита (кальциевого иллита) разбухать за счет воды, моле­ кулы которой скапливаются между его чешуйками. Поглощение этим минера­ лом воды облегчается тем, что несущие слабый отрицательный заряд силикат­ ные слои взаимно отталкиваются, давая возможность обладающим слабым поло­ жительным зарядом катионам (молекулам воды) проникать в промежутки между ними. Разбухающий монтмориллонит в отложениях Рурского карбонавстречается редко, однако обширные исследования вмещающих пород этого района [178] дали возможность установить взаимосвязь между склонностью пород к разбуханию, содержанием в них часто встречающихся мусковитиллитов и ионным потенциалом введенного соляного раствора. Если из этого калиевого иллита удалить выщелачиванием положительные ионы калия и за­ менить их также положительными ионами кальция или магния, то он пре­ вращается в родственный монтмориллониту «способный к расширению иллит», поглощающий воду. Наоборот, обработанный раствором калийной соли каль-

циевый иллит снова переходит в нормальный, неразбухающий иллит. Таким образом, склонность вмещающих массив горных пород к разбуханию зависит как от содержания в них «способного к расширению иллита», так и от химиче­ ского состава шахтных вод, в частности от содержания в них кальция и магния.

Растворы калийных солей с низким ионным потенциалом уменьшают склонность глинистых сланцев к разбуханию.

Вскрытые слои глинистых сланцев при наличии притока воды разбухают в направлении, нормальном к напластованию, на 1—3%, но нередки случаи, когда разбухание достигает 10—20% их мощности [387]. Это означает, что мощ­ ность содержащего иллит породного слоя, первоначально составлявшая 5 м, может в результате разбухания возрасти до 15 см, а иногда и больше. В напра­ влении, параллельном напластованию, разбухание пород примерно вдвое меньше. Поэтому при расчете опускания породных слоев кровли необходимо учитывать возможность разбухания содержащих глинистые компоненты слоев непосред­ ственной кровли и почвы, принимая для расчета вынимаемую мощность М, уменьшенную на величину разбухания пород в направлении, нормальном к напластованию, т. е. на 5—10%. Равным образом должен быть уменьшен и коэффициент оседания а, если при использовании влажного закладочного материала можно ожидать его разбухания или снижения его прочности на сжа­ тие, поскольку, как известно, прочностные показатели горных пород снижа­ ются при поглощении этими породами воды.

Наконец, необходимо упомянуть еще о сдвижениях горных пород, связан­ ных с затоплением заброшенных горных выработок. Если содержавшийся в горных выработках воздух вытеснен водой, то на почву этих выработок будет действовать дополнительная нагрузка, которая определяется высотой водяного столба Н. Эта нагрузка, на глубине 800 м равная 800 Н/см2, приво­ дит к опусканию почвы затопленных выработок на несколько сантиметров. Поскольку гидростатическое давление заполняющей выработки воды действует с одинаковой силой во всех направлениях, т. е. не только на почву, но и на кровлю и стенки выработок, то объем выработок вследствие этого незначитель­ но увеличивается, еще неуплотпившаяся закладка разгружается и породные слои кровли немного приподнимаются. Породы междунластья подвергаются действию сжимающей нагрузки, равной разности давлений водяного столба на верхнем и нижпем горизонтах этого междунластья. На верхних горизонтах массива горных пород, сложенного перемежающимися слоями глинистых и рыхлых песчаных пород, при подъеме уровня воды происходит поднятие слоев на несколько сантиметров, поскольку окруженные водой песчаные частицы взвешиваются, а залегающие под песчаными слоями слои глинистых пород при этом разгружаются, получая возможность увеличиться в объеме вследствие разбухания [21, 301]. Часто наблюдающиеся в краевых зонах мульд оседания поднятия земной поверхности на несколько сантиметров также могут возникать

7.1.

История проблемы

В Германии интерес к проблеме сдвижения земной поверхности, связанный с разработкой угольных месторождений, возник в середине прошлого столетия, когда от выемки угольных пластов штольнями перешли к разработке их при помощи подземных выработок, пройденных на значительной глубине. Уже около 1860 г. железнодорожные компании в Рурской области проводили высот­ ные съемки, чтобы выяснить оседание рельсовых путей при разрешении спорных вопросов об ущербе, нанесенном железнодорожному хозяйству в результате ведения горных разработок. На основе этих и подобных им наблюдений около 1870 г. в Германии и других странах появились многочисленные научные работы о сдвижении земной поверхности под влиянием подземных горных разработок и были предложены различные формулы для расчета возможных оседаний земной поверхности.

Первая появившаяся в литературе формула для определения оседания над серединой очистной выработки, в которой производится выемка угля с обруше­

где М — вынимаемая мощность пласта и а — угол падения породных слоев. Из этой формулы следовало, что при горизонтальном залегании пласта оседание должно равняться мощности разрабатываемого пласта. В формуле, при помощи которой около 1895 г. в районе г. Эссена оценивали размер ущерба

от горных разработок, имевшей вид

коэффициентами а и z уже учитывались способ выемки угля (с обрушением кровли или с закладкой выработанного пространства) и время, прошедшее после прекращения очистных работ. Позднее была установлена взаимосвязь между количеством вынутого на данном участке угля и объемом образовавшейся на земной поверхности мульды оседания, а также введены коэффициенты, учи­ тывающие глубину разработки и увеличение объема сместившихся пород вследствие их разрыхления [103].

Значительному развитию исследований процесса сдвижения способство­ вало основанное в 1899 г. Эмшерское товарищество, проводившее регулярные наблюдения за оседанием земной поверхности и расчеты ожидаемых оседаний с целью принятия мер против возможных последствий затопления опусти­ вшихся участков местности. В результате этих наблюдений в формуле (123) стали учитывать не принимавшуюся ранее в расчет площадь выемочного уча