Рис. 154.
Горизонтальные сдвижения горных пород и земной поверхности с учетом сил трения, возни кающих на контакте наносов п коренных пород (а), и схема расположения профильных линий относительно очистной выработки (6):
1 — горизонтальные сдвиж ения на контакте наносов и коренных пород; 2 — горизонтальные сдвиж ения земной поверхности без учета трения на контакте; 3 — результирую щ ие сдвиж ения, полученные из кривых 1 и 2\ 4 — покрывающ ие породы; 5 — коренные породы; 6 — очистная выработка
а
Растяжение сжатие
*5max h
м
Рис. 155.
Номограммы для расчета горизонтальных деформаций растяжения и сжатия земной поверх ностям
а — максимальные растяж ения и сж атия земной поверхности в сравнении с относительной величиной максимального оседания земной поверхности; б — изолинии равных максимальных деформаций земной поверхности для построения типовых кривых деформаций в главных сечениях мульдм сдвиж ения; 1, 2, 3 — нрпвля соответственно наклонов, растяж ений и сж атий; 4 — точка перегиба
Для сечений, параллельных главным сечениям мульды вкрест простирания (I —I) и по простиранию (II—II), проходящих на расстоянии I от центра мульды, вводится дополнительный множитель (см. рис. 132), равный значе нию функции / (у) при у = I в точке пересечения линий АВ и I I —II (см. рис. 154). Расчет составляющих сдвижения в кососекущих сечениях (не па раллельных главным сечениям мульды сдвижения) выполняется аналитиче скими методами на основе законов механики сплошной среды [ I ] 1.
В Великобритании по результатам натурных наблюдений за деформа циями растяжения и сжатия земной поверхности в различных угольных бас сейнах составлены номограммы, подобные тем, по которым производится рас чет оседаний [276], однако они не используются в качестве исходных мате риалов для расчета горизонтальных составляющих сдвижения земной поверх ности, поскольку считается, что горизонтальные сдвижения не имеют большого практического значения. Чтобы иметь возможность построить кривую горизон. тальных деформаций для выемочного поля длиной ls и шириной 1Е о т границы очистной выработки или от точки перегиба кривой (перехода от деформаций растяжения к деформациям сжатия) при помощи изолиний равных деформаций, показанных на номограмме б (рис. 155), необходимо сначала при помощи графиков диаграммы а найти связь максимальной горизонтальной деформа ции eSmax по соответствующему профилю к ширине выработки 1е и к макси мальному оседанию i;zmax, выраженным в долях глубины разработки Я. На
пример, для |
очистной выработки шириной |
250 м при глубине разработки |
500 м (1Е1Н = |
0,5) находим для растяжений |
значение коэффициента, равное |
0,8, а для сжатия — 1,35. Максимальное оседание по профилю с учетом Длины очистной выработки ls определяется по диаграммам 1 и 2 (см. рис. 95). В дан ном случае оно будет равно 0,5 м или 500 мм. При этом максимальные горизон тальные деформации, если снова отнести максимальное оседание к глубине разработки (500 мм 500 м), составят:
+ е;s шах -
И
Отдельные точки кривой горизонтальных деформаций по профилю Могут быть определены при помощи показанной на рис. 155 номограммы б. Кроме того, при помощи номограммы, показанной на рис. 156, могут быть определены выгибы кривых деформаций сжатия, возникающие при переходе от неполной к полной подработке при ширине очистной выработки, превышающей 0,6 Я.
С большей точностью, чем при помощи этих номограмм, горизонтальные деформации можно вычислить по типовым кривым оседания, поскольку, как известно, горизонтальные деформации тем больше, чем мепьше радиус кри визны р [см. также уравнение (257)], т. е.
es пропорционально lip=(pIl=Avz/l. |
(329) |
1 Способ предложен Р. А. Муллером и В, Н. Земисевым [489. 492] (примеч. отв. ред.)
Растяжение
=0,9/1
ис. 156. |
деформаций растяжения £ |
Зависимости формы кривых |
|
и сжатия от ширины очистной выработки и график |
|
ля определения выгиба в |
середине кривой дефор- о00^ |
маций сжатия при ширине |
выработки более 0,6 Н |
[276] |
0.003 |
|
|
Рис. 157. |
|
|
J |
«0 |
К расчету деформаций растяжения и сжатия по |
^ |
|
||
кривизне или наклонам соседних отрезков |
0,0001 |
0,0002 |
I |
|
|
|
Из рис. 157 видно, что центральный угол ф, заключенный между перпен дикулярами к середине отрезков 1—2 и 2—3, можно вычислить по разности наклонов этих отрезков. Отрезок I должен иметь длину, приблизительно рав ную 1/20 Я, т. е. около 40 м при глубине разработки 800 м, чтобы учесть также короткие сильно искривленные участки кривой. Если, например, наклоны двух соседних отрезков равны 0,00117 (1,17 мм/м) и 0,00300 (3 мм/м), то раз ность наклонов составит 0,00183, или +1,83 мм/м, что при расстоянии между серединами отрезков, равном 30 м, даст отношение ф/Z = 0,00006, для которого по показанному на рис. 157 графику, построенному на основе зависимости
± е5 = |
|/~0,08 -у- |
(330) |
получится |
значение Деформации растяжения, |
равное 0,0022, или 2,2 мм/м. |
В условиях угольных uiaxT Великобритании вычисленные по этому методу горизонтальные деформации земной поверхности хорошо согласуются с их изморенными значениями*
РАЗВИТИЕ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ВО ВРЕМЕНИ
ЮЛ.
Значение фактора времени
В методах расчета сдвижений земной поверхности, рассматривавшихся в пре дыдущих главах, сдвижения определялись для конечной стадии процесса сдвижения земной поверхности над одиночной выработкой. Этот процесс в усло
виях разработки угольных |
месторождений может продолжаться от б мес до |
||
5 лет, а |
в условиях |
разработки залежей каменной соли — значительно |
|
дольше, до 100 лет и более. |
Естественно, что при планировании горных работ |
||
и выборе |
мероприятий |
по |
защите подрабатываемых сооружений необходимо |
учитывать не только конечную, но и промежуточные стадии процесса сдвижения, вытекающие из постепенного увеличения площади очистной выработки и свя занного с этим возрастающего воздействия ее на земную поверхность, так как значения параметров сдвижения — оседаний, наклонов, а также деформаций растяжения или сжатия в процессе ведения горных работ непрерывно изме няются, причем здание или сооружение, в конечной стадии подработки испы тывающее, например, деформацию, сжатия в промежуточной стадии процесса может подвергнуться растяжению.
Отсюда следует, что временной коэффициент z, характеризующий разви тие процесса сдвижения во времени и выражающийся в процентах от оседания
или в виде |
отношения |
|
|
|
vz д и н |
_ оседания в промежуточной стадии |
|
/ о с м \ |
|
vz коп |
оседания в конечной стадии |
’ |
' |
' |
имеет большое практическое значение, если требуется получить ответы на сле дующие вопросы:
а) определить, когда можно ожидать первые опасные проявления под
работки, чтобы иметь возможность заблаговременно провести |
мероприятия |
по борьбе с возможными осложнениями при ведении горных |
работ; |
б) определить, когда можно ожидать полное затухание сдвижений земной поверхности, чтобы после этого можно было приступить к капитальному ре монту поврежденных сооружений;
в) определить, когда подрабатываемое сооружение будет в наибольшей степени подвергаться воздействию горных работ, чтобы в этот момент можно было провести измерение вызванных подработкой деформаций этого соору жения;
г) определить ожидаемые оседания для промежуточных стадий процесса сдвижения, чтобы можно было составить календарный план работ по подъему рельсовых путей и мостов или по регулированию водного режима в судоходных каналах;
д) проанализировать характер смены деформаций растяжения и сжатия на земной поверхности при одновременном ведении горных работ на нескольких выемочных участках и на различных горизонтах, чтобы иметь возможность вести горные работы с наименьшим возможным ущербом для подземных гор ных выработок и наземных сооружений;
е) определить деформации растяжения, сжатия или наклона шахтной крепи для промежуточных стадий процесса сдвижения, чтобы оценить воз можный ущерб, который может быть причинен функционированию шахтного подъема.
В связи с современной техникой ведения горных работ временной коэффи циент имеет значение еще и с другой точки зрения.
В среде от вязкоупругой до пластичной, которой можно уподобить много кратно подрабатываемый породный массив с возрастающей степенью нару шенное™ трещинами, развитие деформаций во времени зависит, как известно, не только от величины действующих сил, но и от скорости изменения нагрузок, а также от направления и продолжительности силового воздействия. Поэтому возможно считать, что скорость и направление подвигания горных работ в по родном массиве, сильно нарушенном проведением выработок или природной трещиноватостью, оказывает влияние на форму мульды оседания не только на промежуточных стадиях, но и в конечной стадии процесса сдвижения. Кроме того, необходимо считаться с тем, что при применявшемся ранее ведении горных работ в одну смену очистные забои каждый день не менее 16 ч оста вались неподвижными и в эти периоды приостановки горных работ могло происходить хотя бы частичное выравнивание напряжений в породах кровли за счет деформирования горных пород. В настоящее же время добыча угля на ряде шахт ведется непрерывно, в четыре смены, так что вследствие большой скорости подвигания забоев линии оседания непосредственной и основной кровли выполаживаЮтоя, область разгрузки перемещается в глубь зоны об рушения и усиление интенсивности разрывных деформаций в породах основ ной кровли происходит только в конце рабочей недели, чем и объясняются, по-видимому, часто наблюдающиеся в последние годы асимметрия профиля мульды оседания и большая крутизна ее склонов. Высказывается также пред полож ение, что наблюдающиеся в конце рабочей недели увеличение крутизны склонов мульды сдвижения и учащение случаев возникновения опасных де формаций связаны с происходящими у остановленного очистного забоя дефор мациями массива с образованием трещин разрыва, простирающихся далеко вверх, в породы покрывающей толщи. Однако вряд ли следует относить эти явления столь решительно за счет новой техники ведения горных работ, основываясь только Па единичных случаях, наблюдавшихся в Рурской области
ФРГ.
В известной мер$ надежно установленным можно считать, что в настоящее время при ведении ropiAix работ на больших глубинах непрерывное развитие процесса сдвижения всДед за движением очистных работ имеет место только при первой подработДе; При производящейся с большой скоростью подвигания (до 5 м/сут) отработке последующих нижележащих пластов значительное -оседание основной кровли, при котором процесс сдвижения распространяется