Растяжение
Сжатие к
Рис. 167.
К расчету горизонтальных сдвижений для промежуточных стадий развития процесса при отработке площади полной подработки полосами, выполненному с помощью кривых гори зонтальных деформаций и временного коэффициента z [318]
Рис. 168.
Кривые горизонтальных деформаций на момент прекращения очистных работ (сплошные линии) и соответствующие кривые для конечной стадии процесса сдвижения (с учетом дефор маций, происшедших после прекращения горных работ) для различных размеров очистной выработки [290, 318]:
1 — динамические кривые; 2 — кривые на конечную стадию; з — критический максимум сжатия; 4 — площадь полной подработки
промежуточных моментов развития процесса (см. рис. 165). Сооружение, располо женное над точкой, соответствующей положению забоя 1 (х = 0,5R), сначала подвергается растяжению, поскольку при этом положении забоя земная поверх ность в данном месте имеет кривизну выпуклости. При переходе забоя в поло жение 2 (х = R) это сооружение будет находиться вблизи точки перегиба кри вой, где деформации растяжения переходят в деформации сжатия. Далее при переходе забоя в положения 3 (х = 1,5R) и 4 (х = 2R) основание сооружения будет деформироваться мульдообразно и на сооружение будут действовать сжимающие усилия, которые при затухании процесса сдвижения в данном месте несколько уменьшатся. Отвечающие этим промежуточным формам мульды сдвижения кривые горизонтальных сдвижений vx ДШ1 могут быть выведены мето дом. аналогичным использованному при расчете оседаний, из величин dvx влияния выемки элементарных площадей очистной выработки на горизонталь ные сдвижения, т. е. путем интегрирования кривой горизонтальных дефор маций ±:ES = dvjdx для точки Р земной поверхности по всей площади подра ботки в пределах, определяющихся границами фронта очистных работ (напри мер, а и Ь), как показано на рис. 167:
х Ь |
Ь |
f z dux— \ zEs(x)dx. х^п а
В точке Р кривая горизонтальных деформаций имеет минимум, так как лежащая под этой точкой узкая полоса очистной выработки (положение 2) не создает в точке Р воздействий, вызывающих горизонтальные сдвижения [319]. Величины горизонтальных деформаций, являющиеся значениями первой производной кривой горизонтальных сдвижений dvjdx и характеризующие величины сдвижений, вызванные влиянием отдельных элементов очистной выработки и во времени непосредственно пропорциональные промежуточным значениям оседания, при непрерывном ведении очистных работ входят как величины наклонов в уравнение (334) только в пропорции, отвечающей соот ветствующему значению временного коэффициента z для точки Р.
Этим способом были вычислены показанные на рис. 168 кривые горизон тальных сдвижений для положений забоя х, равных 0,5#, 1# и 2JF?, и сопоста влены с аналогичными кривыми для конечной стадии процесса (z = 1). Опас ные деформации сжатия (критические максимумы сжатия) возникают в конеч ной стадии над забоем, остановленным в положении х = R. Величины горизон тальных деформаций для промежуточных моментов, за вычетом зоны над сере диной площади полной подработки, во всех случаях меньше их значений, вы численных для конечной стадии (z = 1) для таких же положений очистнога забоя. С увеличением скорости подвигания очистных работ деформации умень шаются. поскольку мульда при этом получается более пологой. Однако при ведении работ в уже подработанном породном массиве, а тем более при разра ботках на малых глубинах следствием увеличения скорости подвигания горных работ может быть смещение породных блоков по заранее предопределенным траекториям и образование мульд оседания с крутыми склонами, т. е. увели чение горизонтальных деформаций (см. подраздел 10.1). Свободные от горизон тальных деформаций («нейтральные») зоны перехода растяжений в сжатия с уве личением длины очистной выработки смещаются ближе к вертикали, проведен ной через границу очистной выработки, за исключением динамической кривой над движущимся забоем, где эта зона еще более смещается внутрь выработки, так что она все более отстает от продвигающегося вперед забоя. Так, напримерг при скорости подвигания очистных работ 3 м/сут, глубине разработки 200 м и отсутствии мощной толщи покрывающих пород максимум деформаций растя жения в этой «волне деформаций» лежит на расстоянии 0,15#, максимум на клонов — на расстоянии 0,3#, максимум деформаций сжатия — на расстоянии 0,5# (# = 165 м) позади забоя [324]. Над неподвижным (левым) забоем (см. рис. 168) уже при длине очистной выработки, равной # , разность между динами ческим и конечным значениями горизонтальной деформации (в данном случае растяжения) сравнительно невелика.
Упоминавшееся |
в начале этой главы у в е л и ч е н и е с к о р о с т е й |
п о д в и г а н и я |
о ч и с т н ы х р а б о т , ранее составляющих 0,5— |
1,5 м/сут, а теперь в среднем равных 2,5 м/сут и в отдельных случаях достига ющих 4—5 м/сут, некоторые исследователи считают причиной часто наблюда ющегося в Рурской области ФРГ образования несимметричных мульд сдвиже ния с крутыми склонами. Следует заметить, что такого рода несимметричные мульды с крутыми склонами наблюдались в Саарском бассейне и в Рурской области уже ранее при небольших скоростях подвигания горных работ, в слу
чаях многократной подработки породного массива, как, например, при выемке угля из околоствольных целиков. Однако на основе выполненных до сих пор измерений возникло мнение, будто бы образованию мульд сдвижения с такой отличающейся от «учебного примера» формой способствует современная техноло гия горных работ, так что несимметричные мульды с крутыми склонами и не значительным оседанием в зоне давления могли бы наблюдаться уже при пер вой подработке ранее отработанных участков пласта [225, 420]. Таким обра зом, предполагается, что, несмотря на то, что степень подработки породного массива при выемке второго пласта, как правило, еще невелика, разупрочнение породных блоков при большой скорости подвигания горных работ и преоблада ющем применении систем разработки с обрушением кровли должно усиливаться за счет периодических посадок кровли, причем образующиеся при этом тре щины отрыва при каждой последующей подработке должны увеличиваться, служа своего рода поверхностями скольжения при прогибе пород основной кровли (см. рис. 18).
Современный ритм работ в горной промышленности, при котором пять суток, в течение которых ведутся (иногда без перерыва) добычные работы, сменяются двухсуточным периодом покоя, приводит к тому, что на протяжении втих двух суток простоя в конце недели слои кровли продолжают прогибаться, причем смещения породных блоков происходят преимущественно по име ющимся ранее трещинам и по вновь возникшим поверхностям отрыва (см. рис. 7). Распространяющиеся на большое расстояние трещины над остановлен ным забоем и смещения породных блоков по крутопадающим поверхностям скольжения могут дойти до земной поверхности и вызвать там серьезные по вреждения зданий и сооружений, если сложенный скальными породами горный массив не перекрыт мощными слоями рыхлых пород, действующими подобно подушке, ограждающей фундамент сооружения от разрывных деформаций пород кровли, и если глубина разработки не превышает 200 м [324]. После периодически повторяющихся в течение всех пяти рабочих дней недели посадок кровли (см. рис. 20) давление на закладку в краевой зоне очистной выработки возрастает и максимум опорного давления вновь смещается от забоя в глубь массива (см. рис. 70). Сравнительно быстрая подработка и обнажение кровли по длине, достигающей за пять рабочих дней 25 м, приводит к тому, что после образования в породах основной кровли трещины отрыва происходит очень быстрое вторичное оседание этих пород на только что обрушившийся породный блок, которое в сильно подработанном породном массиве может проявиться на земной поверхности в виде быстрого увеличения глубины мульды оседания над добычным забоем (рис. 169). После следующих пяти рабочих дней, на про тяжении которых очень пологая краевая зона мульды, следуя за движением забоя, продвинется в зону опорного давления, произойдет новое углубление мульды оседания над только что отработанной полосой выемочного поля [242]. Таким образом, мульда сдвижения распространяется в направлении развития очистных работ сначала в виде сравнительно незначительного «предваритель ного» оседания, развивающегося вслед за движением очистного забоя, а затем резко углубляется над остановленным забоем, так что в связи с перемещением обрушающихся породных блоков в образующейся динамической мульде оседа-
Рис. 169.
Схема асимметричной мульды сдвижения с крутыми склонами, образующейся при большой скорости нодвигания очистных работ и многократной подработке массива горных пород:
1 — первичное оседание; 2 — увеличение глубины мульды; 3 — крутой склон; 4 — бутовая стенка
ния со стороны движущегося забоя образуется крутой склон, который может представлять большую опасность для подрабатываемых сооружений, поскольку здесь резко возрастают наклоны, кривизна и горизонтальные деформации земной поверхности. Таким образом, при высокой степени подработанности породного массива и непрерывном ведении очистных работ с высокими скоро стями подвигания забоя на земной поверхности могут иметь место видимыепроявления процесса сдвижения уже во второй фазе этого процесса, характери зующейся резким возрастанием оседания и возникновением разрывных дефор маций в подрабатываемых породных слоях кровли [420].
В данных условиях оседание земной поверхности над контуром очистной выработки в конечной стадии процесса составляет не половину, а лишь около 30% максимального оседания. Как уже указывалось в подразделе 1.2, это свя зано с тем, что линия прогиба пород непосредственной кровли и вышележащего породного слоя за контуром очистной выработки идет тем круче, чем меньше изгибная жесткость пород и чем легче они обрушаются, а также меньше то рас стояние, на которое подработанные породные слои передают вглубь зоны пород ного давления нагрузку от веса пород покрывающей толщи (см. рис. 8). Быстрое подвигание очистных работ способствует образованию широких, распростра няющихся вверх на значительное расстояние трещин, вследствие чего в пород ном массиве возрастает интенсивность хрупких и уменьшается интенсивность изгибных деформаций, а процесс сдвижения смещается ближе к середине очи стной выработки. Незначительное оседание над контуром очистной выработки и в зоне опорного давления приводит, кроме того, к возникновению двух мак симумов оседания, если очистные работы ведутся одновременно в двух противо положных направлениях (см. рис. 169). Процесс сдвижения характеризуется предварительным оседанием на протяжении пяти рабочих дней, в течение кото рых непрерывно ведутся очистные работы, и дополнительным увеличением глубины мульды в пределах, ограниченных углами разрыва над только что отработанной полосой шириной 25 м, в течение двухдневного периода в конце рабочей недели, когда очистные работы не ведутся. На профиле мульды отчет ливо видны два максимума оседания, образующиеся при симметричной отработке пласта расходящимися забоями. При этом часть породного массива
в середине выемочного поля играет роль поддерживающей бутовой стенки
{см. рис. 11).
В дальнейшем можно сказать, что происходящие в процессе ведения очист ных работ смены нагрузок дольше всего воздействуют на часть породного мас сива, расположенную над исходным забоем, от которого начиналось проведение очистной выработки; поэтому здесь особенно сильно развиваются разрывные деформации, все более охватывающие породные слои, чем и объясняется уси ленное оседание земной поверхности над исходным забоем и асимметрия про филя мульды по простиранию; за счет сил трения и взаимного зацепления пород ных блоков в местах, где их поверхность имеет входящие друг в друга выступы и впадины, оседание передних породных блоков передается в виде нового им пульса сдвижения к уже ранее осевшим задним блокам, вследствие чего давле ние на закладку здесь должно быть больше, чем со стороны добычного забоя, где изгибная жесткость породных слоев пока еще несколько выше, а разупрочне ние системы породных блоков от трещины к трещине еще недостаточно разви лось.
10.3.
Расчет развития процесса сдвижения земной поверхности во времени
10.3.1.
Первые разработанные методы и коэффициент замедления
Расчет ожидаемых сдвижений земной поверхности для планирования горных работ чаще всего производится для положений очистных забоев, изменяющихся через квартальные или полугодовые интервалы, принимая z = 1 [339]. При этом простейшем методе расчета подлежащая отработке площадь разбивается на узкие полосы, для каждой из которых определяются оседания и горизонталь ное сдвижение в течение соответствующего интервала времени (квартала или полугодия). Суммирование полученных значений до того или иного положения очистных работ даст качественно достоверную картину развития процесса сдвижения в зависимости от увеличения отработанной площади пласта. При по мощи этого метода можно, например, судить о том, когда в основании данного сооружения произойдет смена знака деформаций (растяжения перейдут в сжа тия) и какого наибольшего значения они могут достичь в самом неблагоприят ном случае, при z = 1 (см. рис. 86). При этом, однако, не учитывается то обстоя тельство, что степень воздействия выемки полосы очистной выработки на зем ную поверхность возрастает с течением времени постепенно, не достигая сразу полной величины. Так, например, через четверть года после выемки полосы степень ее воздействия составляет только 50% наибольшего значения. По этому для того, чтобы можно было достоверно прогнозировать ход процесса сдвижения для промежуточных стадий его развития, необходимо кроме коэф фициента оседания е при расчете сдвижений земпой поверхности принимать во внимание также влияпие фактора времени z.
В формулах оседания vz = aMez фактор времени является величиной, наименее надежно поддающейся определению. Его получают из результатов