Материал: Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

до земной поверхности, происходит только в конце рабочей недели, когда очистной забой продвинется примерно на 25 м, так что увеличение размеров и глубины мульды оседания происходит не плавно, а периодически через не­ дельные интервалы. В результате вторичного оседания, происходящего после остановки очистных работ, происходит выполаживание склонов мульды, быв­ ших до этого более крутыми, и при достаточно большой мощности покрыва­ ющей толщи пород они в процессе подработки разрыхляются, а затем вновь

на промежуточных стадиях развития процесса сдвижения форма мульды обычно не отличается от той, которая имеет место в конечной стадии процесса для данного положепия забоя, так как в любом случае, как при прогибе пород­ ных слоев кровли как единого целого, так и при смещении породных блоков по поверхностям скольжения (плоскостям трещин), вторичное оседание не­ велико [324]. Поэтому при ведении горных работ на малых глубинах образу­ ющиеся на промежуточных стадиях развития процесса сдвижения динамиче­ ские мульды с крутыми склонами почти в точности идентичны статическим мульдам для соответствующего положения очистных работ (z = 1).

В последующих разделах этой главы мы, рассматривая вопрос о влиянии фактора времени на процесс сдвижения горных пород, будем исходить из пред­ положения о непрерывном развитии процессов деформирования и сдвижения породного массива, а также принимать, что при этом имеет место значительное по величине и продолжительное дополнительное оседание, возрастающее с увеличением скорости подвигания очистных работ. Здесь мы не будем ка­ саться связи между повышением скорости подвигания горных работ до 5 м/сут и обусловленными этими явлениями интенсивного развития трещиноватости горных пород и их пластической подвижности, следствием чего при соответ­ ствующем типе пород и определенной степени подработанности горного мас­ сива является уменьшение вторичного оседания. Системы разработки, полу­ чившие в настоящее время преимущественное распространение в Рурской области ФРГ и характеризующиеся применением выемки с обрушением кровли, одновременной разработкой нескольких пластов на разных горизонтах П вы­

и на степень повреждений подрабатываемых объектов на земной поверхП°сти*

10.2.

Анализ развития процесса сдвижения земной поверхности во времени

Первые обширные наблюдения за промежуточными стадиями развития ПР°" цесса земной поверхности, проведенные в горнопромышленном районе ле" вом берегу р. Рейна, показали, что возникающая на земной поверхности кар­ тина сдвижений перемещается вслед за подвиганием очистных работ, по^°^но волне на поверхности моря. На рис. 158 показаны как профили мульд оседания при горных работах с закладкой выработанного пространства при мощ-

Растяжение

(300*600*)

Рис. 158.

Развитие во времени сдвижений земной поверхности над ориентированным по простиранию пласта движущимся забоем при отработке горизонтально залегающего пласта на глубине 175 м (мощность пород покрывающей толщи 145 м, полное оседание около 90 см [86, 87,

ности пласта М = 1,8 м, соответствующих последовательным положениям очистного забоя (от 1 до 7), так и траектории сдвижения отдельных точек зем­ ной поверхности. Нетрудно видеть, что мульды сдвижения для промежуточных стадий процесса, построенные в разрезе вдоль направления движения очистных работ, отличаются от мульд сдвижения для конечной стадии асимметрией и более пологой формой профиля. На наблюдательной линии, ориентирован­ ной по простиранию пласта (см. рис. 86), можно видеть, кроме того, пере­ ход от деформаций растяжения к деформациям сжатия и изменение направле­ ния наклонов и знака кривизны. В поперечном направлении, вкрест прости­ рания пласта, наоборот, мульда сдвижения остается на месте, в процессе раз­

в подрабатываемом породном массиве расходятся. В то время, как некоторые специалисты [10, 157] считают, что оседание земной поверхности начинается сразу же после того, как непосредственная кровля опустится в результате выемки небольшой части площади очистной выработки, другие авторы [245, 270] утверждают, что в направлении снизу вверх должно иметь место заме­ дление оседания от слоя к слою, т. е. скорость оседания породных слоев или

оседания точек породного массива должна быть для разных породных слоев различной в зависимости от глубины их залегания. Во многих случаях бывает и так, что весь массив породных слоев оседает вместе с породами непосред­ ственной или основной кровли, как единое целое, но развитие процесса сдви­ жения снизу вверх временно задерживается перекрывающим образовавшуюся в породном массиве мульду жестким на изгиб слоем песчаника, создающим отставание оседания во времени. Неодинаковая скорость оседания породных слоев в различных зонах массива объясняется направленными по нормали к напластованию деформациями от разгрузки и расслоением пород над очистной выработкой, вследствие чего оседания точек и прогибов слоев по мере прибли­ жения к земной поверхности уменьшаются, причем уменьшаются также и де­ формации растяжения по нормали к напластованию. Если же отнести величину оседания точек на каждом горизонте к окончательной величине оседания этих точек, когда влияние деформаций растяжения по нормали к напластованию исключается, то окажется, что относительная скорость оседания лежащих на одной вертикали точек породного массива от основной кровли до земной поверхности будет примерно одинаковой.

Развитие во времени процесса сдвижения пород в массиве определяется в основном тремя факторами: податливостью закладки или обрушенного ма­ териала, подвиганием очистного забоя и изгибной жесткостью комплекса по­

скорость конвергенции в выемочном поле зависит как от скорости нагружения и высоты столба создающих нагрузку пород (глубины и распределения давле­ ния), так и от мощности закладки. Это можно пояснить примером. Приводи­ мые на рис. 159 кривые показывают, что конвергенция заключенного в обо­ лочку образца закладочного материала с течением времени стремится, в за­ висимости от нагрузки, к предельному значению а, Ъили с. В результате по­ вышения нагрузки от а2 до о3 в момент времени t3 кривая зависимости кон­ вергенции от времени в точке 3 изменяет траекторию и направляется к точке 4. Соответствующая этой точке конвергенция могла бы быть достигнута уже в момент времени t2, если бы в момент времени t i было приложено сжи­ мающее напряжение а3, минуя степени а* и а 2. Отсюда следует, что конвер­ генция закладки в момент времени th обусловленная оседанием пород непо­ средственной кровли, зависит также и от предшествующего хода изменения нагрузки во времени; чем выше скорость возрастания нагрузки, тем раньше достигается конечная величина конвергенции с в поле закладки и тем больше соответственно скорость оседания породных слоев кровли. Кроме того, при малой мощности слоя закладки конечное значение конвергенции под дей­ ствием одной и той же длительной нагрузки достигается быстрее, чем при

влияние, с одной стороны, на скорость увеличения пролета, перекрываемого породными слоями, и следовательно, на величину их прогиба и, с другой сто­ роны, на связанное с увеличением прогиба возрастание во времени нагрузки на закладку (см. рис. 76). При большой скорости подвигания очистного забоя

W-

Рис. 159.

Зависимости конвергенции w от времени (а, Ъ, с), полученные при испытаниях об­ разцов закладочного материала без воз­ можности бокового расширения в усло­ виях длительно действующих нагрузок а1? а2 и а3 от начального момента времени О—5 — кривые для ступенчатого увеличе­ ния нагрузки; 0—1 — участок кривой, соответствующий первоначальному уплот­ нению и упругой деформации под дей­ ствием нагрузки о х

Рис. 160.

Развитие во времени процесса оседания отдельных точек земной поверхности на ориенти­ рованной по простиранию наблюдательной линии над неподвижным забоем, от которого начинались очистные работы (Pi), над движущимся забоем (Р2) и над остановленным 1 забоем (Рд):

2 и з — соответственно статическое вторичное и динамическое остаточное оседание

опускающиеся на закладку породные слои быстрее прогибаются и соответ­ ственно быстрее возрастает давление на закладку. Ускорению развития про­ цесса сдвижения способствует также предшествующая подработка породного массива. С другой стороны, чем больше изгибная жесткость породных слоев кровли, тем позднее начинается их оседание над разрабатываемым участком пласта и тем меньше будет их прогиб при неполной подработке (см. рис. 8). В верхней части породного массива, ближайшей к земной поверхности, к этому добавляется еще зависящий от фактора времени характер деформирования рыхлых горных пород (см. подраздел 11.6).

При анализе развития процесса сдвижения во времени необходимо раз­ личать наблюдения на отдельной точке и на наблюдательной линии, зало­ женной по простиранию или по падению пласта, а также сдвижения, проис­ ходящие над неподвижным (исходным) забоем, над движущимся фронтом очистных работ и над временно приостановленным добычным забоем.

По результатам наблюдений на отдельной точке получается только зави­ симость сдвижений этой точки от времени, а по результатам измерений на на­ блюдательной линии — картина развития деформаций мульды сдвижения на разрезе породного массива. В точке Р i земной поверхности, расположенной

над исходным забоем или позади него, резкое возрастание оседания наблюдается раньше, чем в точке Р 2, лежащей над движущимся забоем, и, наконец, под­ рабатываемой им (рис. 160). В точке над исходным забоем отработка не­ которой определенной площади выемочного участка при полном прогибе по­ родных слоев оказывает более сильное влияние, в то время, как влияние ле­ жащих у края области влияния участков очистной выработки сказывается позднее лишь в слабой степени, о чем можно судить по пологому ходу кривой. Точка Р 2 при приближении к ней забоя оседает лишь незначительно, но в дальней­ шем оседание в этой точке возрастает даже круче, чем в точке Р х. Над остано­ вленным забоем в точке Рг после прекращения очистных работ наблюдается вторичное оседание, обусловленное влиянием выработки, площадь которой не увеличивается. Во время этого периода вторичного оседания давление кровли на закладку позади остановленного забоя постепенно возрастает, пока несущая способность уплотняющейся закладки, за вычетом перекрываемой породами кровли краевой зоны, не достигнет достаточной величины (см. рис. 21). Этот процесс статического вторичного оседания после остановки очистных работ продолжается дольше, чем динамическое остаточное оседание точки при развитии очистных работ за пределы площади полной подработки, когда массив горных пород в еще большей степени подрабатывается и про­ седает в краевой зоне выемочного поля при увеличивающемся пролете свободно провисающей кровли.

Если ширина очистной выработки b превышает величину 2Д, то по изме­ ренным оседаниям для данной точки могут быть построены так называемые т и п о в ы е к р и в ы е з а в и с и м о с т и о с е д а н и я о т в р е м е н и для различных скоростей подвигания очистных работ, которые не следует смешивать с расчетной кривой оседаний в мульде во времени х, что часто имеет место на практике.Только при весьма большой скорости подвигания очистных работ или малой глубине разработки кривая оседания точки приближается к кривой влияния фактора времени. Чтобы иметь возможность сопоставить наблюдаемые обычно над площадью неполной подработки оседания точки земной поверхности с типовой кривой зависимости от времени, нужно при построении кривой развития оседаний во времени откладывать на вертикаль­ ной оси оседаний также коэффициент е, а на горизонтальной оси времени — диаметр площади полной подработки или время, требующееся для отработки выработки на полную длину 2R.

Из рис. 160 можно видеть, кроме того, что максимальная скорость осе­ даний, т. е. наибольший прирост оседания в единице времени, для отдельных точек земной поверхности по наблюдательной линии, заложенной в направле­ нии простирания пласта, над движущимся забоем имеет различную величину, а именно к середине мульды она больше, чем у края мульды, что вполне по­ нятно, поскольку степень влияния на точку, расположенную над центром очистной выработки, должна быть большей. Еще отчетливее выражена воз-

1 Кривая оседаний во времени показывает возрастающее влияние промежуточного

положения границ очистных работ с течением времени, а не ход процесса оседания точки земной поверхности.