Материал: Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений

и лишь на небольшом протяжении. Таким образом, процесс сдвижения в пло­ скости отрабатываемого пласта зависит не только от действия гравитационных сил, а траектории сдвижений породных блоков в значительной мере опреде­ ляются также положением поверхностей разрыва.

Если связь между слоями непосредственной и основной кровли и между блоками горных пород в каждом слое сохраняется, как это имеет место при незначительном оседании кровли (при разработке с пневматической закладкой или с оставлением целиков и при отсутствии скольжения по поверхностям разрыва), то, в отличие от схем, показанных на рис. 17 и 18, при изгибе ниж­ ней пачки слоев пород над призабойным пространством возникают деформа­ ции сжатия, а над выработанным пространством — деформации растяжения. Непосредственная кровля над податливой опорой у контура выработки сме­ щается так, что блоки горных пород опрокидываются в сторону нетронутого массива, и в результате наблюдательная точка при приближении очистных работ смещается внутрь зоны опорного давления. После подработки наблю­ дательной точки она начинает сдвигаться в обратном направлении к закладке, пока наблюдательная точка не окажется в середине выемочного участка, от­ куда она должна теоретически возвратиться в свое первоначальное положение с учетом составляющей сдвижения, направленной в сторону зоны опорного давления. Таким образом, наибольшее горизонтальное сдвижение точек кровли при подработке будет иметь место над контуром очистной выработки.

Имеющиеся в литературе данные о наблюдениях за сдвижением кровли, противоречащие приведенным, например, в работе [290], объясняются раз­ личиями в характере деформирования непосредственной кровли (упругий изгиб пачки породных слоев или разрывные деформации в сочетании со сколь­ жением), а также различием в выборе исходного момента времени при исследо­ ваниях (в одном случае наблюдения велись с момента первого проявления сдвижений, а в другом — после подработки наблюдательной станции и выхода ее в выработанное пространство). Так, например, в точке, закрепленной в не­ посредственной кровле над добычным забоем, даже при чистой деформа­ ции изгиба измерения показывают только возрастающие по величине сдвиже­

ходит преимущественно по нормали к напластованию, поэтому дополнительно производятся измерения составляющей сдвижения в направлении, по восста­ нию пласта, а при проведении наблюдений в штреках (см. рис. 17) — соста­ вляющей сдвижения, направленной к оси штрека.

ДЕФОРМАЦИИ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

2.1.

Зоны сдвижений в слоях пород кровли

Рассмотренное в предыдущем разделе сдвижение непосредственной кровли над очистной выработкой распространяется и на верхние слои горных пород, если отработанный участок имеет такие размеры, при которых свод над выра­ ботанным пространством разрушается (см. рис. 7). При оседании нижних слоев кровли ее верхние слои теряют опору, поскольку вследствие горизон­ тального перемещения по контактам сцепление между слоями отсутствует. Не поддерживаемые снизу породные слои начинают опускаться под действием

б) разрабатываемый пласт и слой закладки, неупруго (пластически) сжи­ мающиеся под действием увеличенного горного давления в зоне впереди забоя или под действием нагрузки от опускающейся кровли в выработанном про­

странстве;

Распределение вертикальных деформаций в подработанном массиве горных пород при горн-

в) слой непосредственной кровли, который над выемочным участком от­ деляется от более жесткой основной кровли, разрушается и ложится на за­ кладку, сохраняя сцепление между дородными блоками под действием боко­ вого распора, или (при выемке без закладки) обрушается крупными глыбами и заполняет выработанное пространство;

г) основная кровля, которая над выемочным участком постепенно оседает, плавно прогибаясь, пока ее не станет поддерживать закладка или обрушенный материал, а впереди забоя — сжатый угольный пласт, или же которая при определенном консольном зависании над движущимся забоем обрушается

равномерно и в основном упруго прогибаются, причем по отдельным межслое­ вым контактам происходит взаимный сдвиг относительно друг друга;

е) поверхностная зона, состоящая из слоев рыхлых пород, которые оседают вслед за поверхностью толщи крепких пород, как пластически деформиру­ ющееся покрытие, образуя впадину корытообразной формы (табл. 3).

2.2.

Вертикальные сдвижения

идеформации массива горных пород

Вслоях пород непосредственной и основной кровли, подверженных воздей­

ствию высокого давления над добычным забоем, уже дри незначительном их сдвижении быстро возникают напряжения, превышающие предел упру­ гости (см. рис. 7), и поэтому в этой области преобладает упруго-пластическое деформирование породных слоев, под которым понимается упругий прогиб консолыю зависших или находяшихся под действием сил трения отдельных участков слоя горных пород с последующим отрывом и скольжением отдельных породных блоков по тектоническим или заново образовавшимся поверхно­ стям разрыва. Последующие обрушения происходят в виде последовательного отрыва зависающих на расстоянии до 30 м позади движущегося забоя участков непосредственной кровли и внезапной посадки пород основной кровли [791. Отрыв породных блоков непосредственной кровли происходит по трещинам разрыва (при изгибе) или среза, в зависимости от того, будет ли раньше достигнут предел прочности на растяжение при изгибе (на верхней поверх­ ности слоя) или предел прочности на сдвиг в зоне сжатия (рис. 20). В по­ следнем случае слой пород кровли или срезается по нормали к напластованию над жесткой опорой, которой является линия фронта очистного забоя, или, если породы кровли могут смещаться к выработанному пространству параллельно напластованию (скользящий отрыв) и при этом разгружаться, то под действием опережающего опорного давления слой пород кровли разбивается еще впереди забоя на большое число обломков (развальцовывается).

Соотношение упругого изгиба и пластического перемещения блоков за­ висит от изгибной жесткости пород, их склонности к хрупкому разрушению, имеющихся систем трещин и составляющей сжатия горного давления, а также от величины кривизны (т. е. от мощности пласта) и нагрузки (т. е. от глубины разработки). При исследовании состояния кровли в одном гезенке, пройден­ ном через три года после отработки выемочного участка с обрушением кровли, было установлено, что нарушенность породного слоя трещинами в направле­ нии кверху ослабевает и в 15 м над бывшей очистной выработкой видимых признаков нарушенпости уже нет [390]. Обрушение кусков породы размером с булыжник закончилось на высоте, примерно вдвое превышавшей мощность пласта.

В крепких породах средней зоны преобладает упругое деформирование. Слои пород этой зоны искривляются над очистным забоем не так сильно, как непосредственная кровля, и прогибаются без разрывных нарушений. Однако при изгибе этих слоев в них могут происходить смещения за счет скольжения по поверхностям тектонических нарушений и по поверхностям разрыва, обра­ зовавшимся от воздействия ранее проводившихся горных работ. В нижней части средней зоны, т. е. вблизи зоны разрывных деформаций, кривая оседа­ ний слоев горных пород имеет S-образную форму (см. рис. 8), как это пока­ зали измерения оседаний кровли в штреке, пройденном в 50 м над очистной

кровля; сложенная крепкими (устойчивыми) по­ родами; 2 — непосредственная кровля; з — пласт крепкого (устойчивого) угля; 4 — отрыв со скольжением

очистной выработки, может происходить расслоение пачки слоев, если слои слабых пород (например глинистого сланца) перекрываются слоями крепких жестких на изгиб пород (например песчаника) и если по поверхностям кон­ тактов легко может произойти разделение этих слоев. Верхние, жесткие на изгиб слои прогибаются в меньшей степени, чем нижние, и между ними могут образоваться пустоты шириной до нескольких миллиметров — так на­ зываемые пустоты Вебера (см. рис. 7), перемещающиеся вместе с подвиганием очистного забоя и вновь закрывающиеся, когда они оказываются уже над выработанным пространством.

В сложенных крепкими породами слоях средней зоны может также про­ исходить сдвиг по поверхностям разрыва природного происхождения. В про­ гибающейся мощной толще слоев горных пород возникают параллельные напластованию сдвигающие напряжения, которые, подобно тому, как это имеет место в балках строительных конструкций, убывают по закону пара­ болы от максимального значения по средней оси пачки слоев до нуля на по­ верхностях раздела, соответствующих краевым поясам балки, стремясь сме­ стить отдельные породные слои один относительно другого и разделить их, как это хорошо можно видеть у концевой опоры прогнувшегося штабеля до­ сок (рис. 22). Как только напряжения сдвига превысят величину сил сцепле­ ния и сил трения на межслоевых контактах, мощная толща слоев распадается на две или более тонких пачек (разрушение сдвига). В некоторых шахтйх наблюдались смещения пород по межслоевым контактам, достигавшие 50 см.

Верхние слои массива горных пород, сложенные песчаными или глини­ стыми породами, а также зона выветривания выходящих на земную поверх­ ность пород угленосной толщи при образовании мульды оседания деформиру­ ются преимущественно неупруго и пластично. Эти слои обладают прочностью на растяжение и следуют за оседающими подстилающими породами, как слой, очень слабо работающий на изгиб. При этом минеральные частицы, слагающие породные слои поверхностной зоны, смещаются одна относительно другой