Сдвижение горных пород и земной поверхности при разработке угольных месторождений

§ 186. Общие сведения о процессе сдвижения горных пород и земной поверхности

Ведение горных работ вызывает образование в недрах земли пустот. Породы, окружающие эти пустоты, под действием силы тяжести приходят в движение, обусловливая развитие процесса сдвижения (рис. 1).
В зависимости от физико-механических свойств горных пород, системы разработки, условий залегания полезного ископаемого и других факторов сдвижение горных пород может происходить в форме обрушения, т. е. беспорядочного падения породы в виде кусков и глыб разных размеров (начальная стадия — зона І), прогиба напластований толщи горных пород в сторону выработанного пространства с образованием расслоений, трещин, разломов и уплотнения (зона ІІ — полных сдвижений, промежуточная стадия), прогиба пород с образованием трещин и расслоений (зона ІІІ), плавного прогиба пород без образования трещин и расслоений (зона IV), пучения и поднятия пород почвы в сторону выработанного пространства (зона разгрузки VII), сжатия и утонения пород под действием силы тяжести прогибающихся слоев в зонах ІІ, III, IV (зона опорного давления V), поднятия толщи горных пород, прилегающих к земной поверхности (зона VIII), и прогиба прилегающих пород к наносам и наносов с образованием впадины (мульды сдвижения) на поверхности земли (зона VI), воронок и террас (зона X).

Рисунок 1. Общая схема процесса сдвижения толщи горных пород:
а — при пологом падении; б — при крутом падении
При разработке крутых залежей может иметь место оползание пород почвы в выработанное пространство, а если залежь мощная, то и провалы (зона IX).
Перемещение слоистых горных пород в кровле очистного пространства (при значительной глубине разработки и площади пустот) начинается с прогиба пород, расслоения напластований и появления зон повышенных деформаций растяжений и сжатий. Когда деформации достигают предельных значений, напластования обрушаются, заполняя выработанное пространство, и становятся опорой для вышележащих, прогибающихся пород. Зона обрушения распространяется вверх по нормали к напластованиям на 3-5-кратную мощность вынутого пласта. При малой мощности вынимаемого пласта, пучащих породах почвы, полной или частичной закладке выработанного пространства зона обрушения может не возникнуть вследствие незначительного провисания пород и малых величин деформаций растяжений (сжатий).
Прогиб пород и расслоение напластований в зоне ІІ приводит к образованию зон повышенных деформаций растяжений (сжатий), появлению сквозных трещин и разрывов. Под воздействием веса вышележащих пород прогибающаяся толща пород зоны ІІ уплотняется, образуя зону полных сдвижений, размеры которой можно определить, зная углы ψ 1, ψ 2. Над зоной ІІ находится зона ІІІ, характеризующаяся наибольшими изгибами породных слоев толщи с возмож¬ным образованием раскрытых трещин и полостей по напластованиям.
Зоны ІІ и ІІІ распространяются вверх от кровли пласта примерно на (35—40) m и могут быть оконтурены углами λ 1, λ 2 (величины углов ψ 1, ψ 2, λ 1, λ 2 приведены в специальной литературе по горному давлению).
Выше зоны ІІІ породы прогибаются всем массивом без заметного расслоения и образования трещин, составляя зону плавного прогиба. Над зоной полных сдвижений ІІ зона IV имеет минимальные размеры, ближе к поверхности земли она увеличивается. Со стороны восстания и падения пласта к рассмотренным ранее зонам примыкает зона опорного давления. Она создается в толще горных пород вследствие их зависания над выработанным пространством и передачи части веса зависших пород в качестве дополнительной нагрузки на массив. В зоне опорного давления происходит плавный прогиб слоев вследствие сжатия последних. Максимальные сжатия наблюдаются у границ очистной выработки и на контактах с зоной IV. Размеры зоны опорного давления зависят от многих факторов, в том числе от структурного строения, физико-механических свойств пород, глубины разработки, размеров площади очистных работ.
Процесс сдвижения толщи горных пород заканчивается сдвижением наносов и образованием на поверхности земли мульды сдвижения, т. е. впадины. Сдвижение наносов, как и коренных пород, может происходить в форме обрушения, прогиба по вертикали, а также прогиба по вертикали в сочетании с горизонтальным сдвигом их коренными породами в сторону восстания пластов (рис. 2).

Рисунок 2. Схема сдвижения толщи наносов
Обрушение наносов и земной поверхности происходит при малой глубине разработки, равной примерно 10-15-кратной мощности пласта. В этом случае на поверхности образуются провалы, воронки, уступи, трещины. Прогиб наносов в вертикальном направлении происходит при горизонтальном и пологом залегании коренных пород, когда зона обрушений не достигает поверхности земли. Прогиб наносов по вертикали в сочетании с горизонтальным сдвигом их коренными породами в сторону восстания слоев происходит при залегании корен¬ных пород под углом более 10°.
Сдвижение и деформация горных пород, а также земной поверхности вызывают значительные затруднения при разработке месторождений и строительстве здании и сооружений в районах горных разработок. Это говорит о том, какое большое практическое значение имеет изучение вопросов сдвижения горных пород и земной поверхности.

§ 187. Влияние горных разработок на подрабатываемые объекты

§ 188. Способы изучения процесса сдвижения горных пород

Процесс сдвижения горных пород и земной поверхности изучают в натуре путем инструментальных наблюдений, на моделях из так называемых эквивалентных материалов и путем проведения теоретических исследований.
При изучении процесса сдвижения горных пород непосредственно в натуре , т. е. в районе горных разработок, на исследуемом участке закладывают наблюдательную станцию, состоящую из большого количества реперов. Чаще такую наблюдательную станцию закладывают на поверхности земли. Путем геометрических измерений, которые производят систематически, следят за положением реперов станции во времени и пространстве. При подработке пунктов станции наблюдают их смещение. Сопоставляя наблюденные смещения реперов станции с произведенными горными работами, устанавливают необходимые закономерности развития процесса сдвижения. Более подробно методика натурных инструментальных наблюдений процесса сдвижения горных пород и земной поверхности рассматриваются в предыдущей главе.
Результаты натурных инструментальных наблюдений дают богатый и достоверный материал для понимания процесса сдвижения горных пород. Однако проведение таких наблюдений требует длительного времени. Кроме того, в натуре трудно найти условия для изучения отдельных сторон процесса.
При изучении процесса сдвижения горных пород в лабораторных условиях создают плоские и объемные модели исследуемого участка, на которых имитируют выемку полезного ископаемого и вызываемый ею процесс сдвижения. Этот метод предложен доктором технических наук Г. Н. Кузнецовым. В основу каждой модели берут определенный геологический разрез, для основных горных пород которого предварительно определяют физико-механические свойства. Задаваясь масштабом модели (1:100—1:200), подбирают материалы, механические свойства которых были бы эквивалентны одноименным свойствам пород натуры. Показатели механических свойств материалов модели определяют по формуле Г. Н. Кузнецова, вытекающей из общего закона подобия Ньютона,

(1)
где Nm — определяемая механическая характеристика (сопротивление сжатию, растяжению, изгибу и т. п.) эквивалентного материала модели;
Nн — соответствующая характеристика пород натуры;
γм, γн — объемные веса материалов модели и пород натуры;
i/L — масштаб модели.
Из подобранных эквивалентных материалов создают модель на специальном стенде. Толщина такой модели 15—20 см, а потому она должна рассматриваться как плоская, имитирующая заданный геологический разрез. Затем из модели вынимают намеченную часть «месторождения», образуя «выработанное пространство». В окружающей толще пород начинает развиваться процесс сдвижения, за которым ведут периодические или непрерывные наблюдения.
Хотя в таких моделях нарушены естественные условия, при которых любая частица горного массива подвержена всестороннему сжатию, они позволяют изучать не только количественную, но и качественную сторону процесса сдвижения горных пород.
Оптическое и центробежное моделирование, описанные в специальной литературе, сравнительно редко используются в практике маркшейдерского дела.
Теоретические исследования процесса сдвижения основаны на предположении, что толща горных пород представляет собой сплошную среду, в которой под действием горных разработок возникают пластические деформации. В настоящее время при изучении процесса сдвижения горных пород применяют математическую теорию пластичности, а также теорию механики сплошной среды и тем самым делают попытки создать теоретически обоснованный способ расчета параметров сдвижения. Этот способ изучения процесса сдвижения горных пород требует дальнейшего совершенствования. Назад

Источник

Способы изучения процесса сдвижения горных пород

1. Способ инструментальных наблюдений: до начала подработки закладывают наблюдательную станцию на земной поверхности или в горных выработках (большое количество реперов). Путем систематических геометрических измерений следят за положением реперов станции во времени и в пространстве. Сопоставляя смещения реперов с горными работами, устанавливают необходимые закономерности развития процесса сдвижения.

Результаты натурных инструментальных наблюдений дают богатый и достоверный материал для понимания процесса сдвижения горных пород. Однако они трудоемки и требуют длительного времени.

2. Метод моделей из эквивалентных материалов – производится в лабораторных условиях на плоских или объемных моделях (макетах) (предложен доктором техн. наук Г.Н.Кузнецовым); при этом определяют физико-механические свойства толщи горных пород, затем в масштабе (1:100 1:200) подбирают материалы, механические свойства которых эквивалентны свойствам породы. Вынимают “П.И.” и ведут периодические наблюдения за развитием процесса сдвижения. Модели позволяют изучить, в основном, качественные характеристики, но нельзя получить надежные количественные зависимости.

Достоинство – меньшая трудоемкость и возможность более широкого варьирования горногеологическими параметрами. Метод является весьма полезным как существенное дополнение к натурным наблюдениям.

3. Теоретические исследования основаны на предположении, что толща горных пород представляет собой сплошную среду, в которой под действием горных разработок возникают пластические деформации. Применяют математическую теорию пластичности, а также теорию механики сплошной среды и делают попытки создать теоретически обоснованный способ расчета параметров сдвижения. Этот способ требует дальнейшего совершенствования.

Дата добавления: 2015-02-09 ; просмотров: 43 ; Нарушение авторских прав

Источник

Способы изучения процесса сдвижения горных пород

ИНСТРУКЦИЯ
ПО НАБЛЮДЕНИЯМ ЗА СДВИЖЕНИЕМ ГОРНЫХ ПОРОД, ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
И ПОДРАБАТЫВАЕМЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ НА УГОЛЬНЫХ
И СЛАНЦЕВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

СОГЛАСОВАНО с Госгортехнадзором СССР 5 марта 1987 г.

УТВЕРЖДЕНО Министерством угольной промышленности СССР 30 декабря 1987 г.

Составители: К.Б.Абельсеитов, А.Г.Акимов, Е.В.Бошенятов, А.С.Ведяшкин, Ю.Н.Гавриленко, М.Н.Жукенов, В.Н.Земисев, В.И.Коваленко, С.К.Магрупов, Н.И.Митичкина, И.А.Петухов, В.П.Самарин, С.Г.Синопальников, Ю.Б.Файнштейн, Л.П.Чепенко, А.С.Ягунов.

Выпущено по заказу Всесоюзного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела

Изложены требования к выбору конструкций наблюдательных станций для наблюдений за сдвижением горных пород и земной поверхности, а также взаимодействием подрабатываемых сооружений с деформируемым основанием в зависимости от горно-геологических условий и задач наблюдений. Приведены необходимая точность, методы и периодичность измерений, способы обработки результатов измерений и методика определения основных параметров процесса сдвижения горных пород и земной поверхности.

Для инженерно-технических работников маркшейдерской службы.

Выемка угля и сланца из-под сооружений и природных объектов, рациональное размещение новых населенных пунктов и промышленных сооружений на угленосных площадях имеют большое народнохозяйственное значение. Правильно и технически обоснованно решить эти вопросы нельзя без детального и всестороннего изучения процесса сдвижения горных пород и земной поверхности, возникающего под влиянием горных разработок. В последнее время значительная часть запасов угля оказалась под застроенными территориями, а условия выемки пластов весьма усложнились (увеличилась глубина разработки, участились случаи появления в пластах разрывных тектонических нарушений и т.п.). Кроме того, при охране зданий и сооружений наряду с традиционным методом — оставлением предохранительных целиков — значительное место занимает применение горных и конструктивных мер охраны. Все это требует более детального изучения характера распределения деформаций в мульде сдвижения, взаимосвязи деформаций основания и сооружений, деформаций околоствольного массива.

По сравнению с Инструкцией 1956 г. в настоящей инструкции более дифференцированно рассмотрены конструкции наблюдательных станций в зависимости от горно-геологических условий. В частности, при больших углах падения пластов предусматривается закладка дополнительных профильных линий над выходами пластов под наносы, удлиняются профильные линии для наблюдения за сдвижением лежачего бока при крутом падении пластов, рекомендуются конструкции наблюдательных станций при разрывных тектонических нарушениях. Особое внимание уделено выявлению участков сосредоточенных деформаций и условиям образования уступов. Даны рекомендации по переходу от измеряемых коротких длин интервалов к длинам, применяемым при прогнозировании величин сдвижений и деформаций; по использованию новых серийно выпускаемых инструментов и приборов: светодальномеров для контроля точности измерения длин профильных линий при тригонометрическом нивелировании, жестких отвесов для выноса центров реперов, ЭВМ для обработки результатов измерений.

Описаны наблюдения за подрабатываемыми зданиями и сооружениями, а также за состоянием вертикальных шахтных стволов. Закладка наблюдательной станции и проведение наблюдений должны выполняться с соблюдением правил по технике безопасности на топографо-геодезических работах и Правил безопасности на угольных и сланцевых шахтах.

Инструкция разработана отделом сдвижения горных пород института ВНИМИ и его филиалами. Учтены замечания и предложения Минуглепрома СССР, Госгортехнадзора СССР, производственных объединений по добыче угля.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

1. Активизация сдвижения толщи пород и земной поверхности — изменение характера распределения и величин сдвижений и деформаций земной поверхности и толщи при разработке пласта смежными выработками или повторных подработках по сравнению со сдвижениями и деформациями от одиночной выработки при первичной подработке.

2. Безопасная глубина разработки — глубина, при которой и ниже горизонта которой горные работы не вызывают деформаций более допустимых.

3. Вероятные сдвижения и деформации — величины сдвижений и деформаций, определяемые в условиях, когда отсутствуют календарные планы развития горных работ.

4. Вертикальные деформации земной поверхности (наклоны, кривизна) — деформации земной поверхности в вертикальной плоскости, вызванные неравномерностью вертикальных сдвижений.

5. Главные сечения мульды сдвижения — вертикальные сечения мульды по простиранию и вкрест простирания пласта, проходящие через точки с максимальными оседаниями земной поверхности.

6. Горизонтальные деформации растяжения или сжатия — деформации земной поверхности в горизонтальной плоскости, вызванные неравномерностью горизонтальных сдвижений.

В точках мульды сдвижения различают горизонтальные деформации в направлении простирания ; вкрест простирания в полумульде по падению и восстанию ; в заданном направлении .

7. Горизонтальное сдвижение земной поверхности (в мм) — горизонтальная составляющая вектора сдвижения точки в мульде сдвижения земной поверхности.

В точках мульды различают горизонтальные сдвижения в направлении простирания ; вкрест простирания в полумульде по падению и восстанию ; в заданном направлении .

8. Граница зоны влияния подземных разработок или граница мульды сдвижения — контур зоны на земной поверхности, определяемый по граничным углам или деформациям наклона (0,5·10 ); растяжения (0,5·10 ), при длинах интервалов 15-20 м.

9. Граница зоны опасного влияния подземных разработок — контур зоны опасного сдвижения земной поверхности, определяемый по углам сдвижения или деформациям наклона (4·10 ), кривизны (0,2·10 , 1/м), растяжения (2·10 ).

10. Граничные углы — внешние относительно выработанного пространства, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения горизонтальными линиями и линиями (последовательно проведенными в коренных породах, мезозойских отложениях и наносах), соединяющими границу выработки с границей зоны влияния подземных разработок на земной поверхности (рис.1).

Рис.1. Определение угловых параметров сдвижения и длин полумульд на вертикальных разрезах.

а — вкрест простирания пласта при пологом залегании; б — по простиранию; в — вкрест простирания при крутом залегании пласта; 1 — наносы; 2 — коренные породы

Различают граничные углы:

в наносах, под которыми понимаются четвертичные и третичные горизонтально залегающие отложения, не вмещающие разрабатываемые пласты, — (принимаются одинаковыми во всех направлениях; учитываются при мощности наносов 5 м и более);

в мезозойских отложениях на месторождениях палеозойского возраста (при угловом несогласии мезозойских и палеозойских отложений более 5°) — , , ;

в коренных породах, к которым относятся породы того же возраста, что и разрабатываемые пласты, — , , , .

Углами и определяются границы зоны влияния по простиранию пласта; , и , — вкрест простирания соответственно со стороны падения и восстания; — в лежачем боку пласта, возникающие при углах падения пластов .

11. Графики сдвижений и деформаций земной поверхности — линии, изображающие в определенном масштабе распределение величин сдвижений и деформаций земной поверхности на профильной линии.

Различают графики: оседания, горизонтального сдвижения, наклонов мульды сдвижения, горизонтальных деформаций (растяжений, сжатий), кривизны мульды сдвижения; скорости оседания.

12. Длина полумульды — расстояние в главном сечении на разрезе вкрест простирания или по простиранию (см. рис.1) между границей мульды и точкой пересечения с земной поверхностью линии, проведенной под углами полных сдвижений (при полной подработке) или максимального оседания (при неполной подработке). Участок плоского дна при расчете сдвижений и деформаций в длину полумульды не включается.

Различают длины полумульд (в м) по падению ; по восстанию ; по простиранию .

13. Допустимые деформации земной поверхности (основания сооружений) — деформации, вызвавшие повреждения сооружений, при которых их дальнейшая эксплуатация по прямому назначению возможна после проведения текущих наладочных и ремонтных работ.

14. Зона обрушения горных пород — часть области сдвижения горных пород, подвергшаяся обрушению.

15. Зона опасного влияния подземных разработок — часть мульды сдвижения, на которой возникают деформации, опасные для зданий, сооружений и природных объектов.

16. Зона прогиба — часть области сдвижения горных пород, подвергшаяся сдвижению в форме прогиба слоев без разрыва их сплошности.

17. Зона трещин и провалов на земной поверхности — часть мульды сдвижения, на которой в результате влияния горных разработок возникают трещины и провалы.

18. Зона трещин и разломов горных пород — часть области сдвижения горных пород, подвергшаяся сдвижению в форме прогиба и сдвига по напластованию с образованием трещин.

19. Исходный репер — репер, заложенный в районе наблюдательной станции на участке, не подвергающемся сдвижению, и служащий для передачи отметки на опорные реперы станции.

20. Коэффициент безопасности — величина отношения глубины залегания пласта под объектом к вынимаемой мощности, с помощью которой для некоторых объектов определяется безопасная глубина разработок.

21. Коэффициент подработанности земной поверхности — отношение фактического размера выработанного пространства к минимальному, при котором наступает полная подработка земной поверхности.

Различают коэффициенты подработанности по линиям простирания и падения пласта .

При полной подработке земной поверхности коэффициенты подработанности по линиям простирания и падения пласта равны единице или больше.

22. Кривизна мульды сдвижения (1/м) — отношение разности наклонов двух соседних интервалов мульды к полусумме длин этих интервалов. Различают кривизну мульды, определенную непосредственно по данным измерений и полученную по сглаженной кривой оседания.

В точках мульды различают кривизну по простиранию , вкрест простирания в полумульде по падению и восстанию , в заданном направлении .

23. Критические деформации земной поверхности — величины деформации земной поверхности, принятые для определения границ зоны опасного влияния подземных разработок и углов сдвижения.

24. Максимальные горизонтальные деформации — наибольшие сжатия и растяжения интервалов мульды.

В точках мульды различают максимальные сжатия и растяжения по простиранию , вкрест простирания в полумульде по падению и восстанию , в заданном направлении .

25. Максимальное горизонтальное сдвижение (в мм) — наибольшая горизонтальная составляющая векторов сдвижения точек.

В точках мульды различают максимальные горизонтальные сдвижения по простиранию , вкрест простирания в полумульде по падению и восстанию , в заданном направлении .

26. Максимальная кривизна мульды сдвижения (в 1/м) — наибольшая кривизна мульды.

В точках мульды различают максимальную кривизну по простиранию , вкрест простирания в полумульде по падению и восстанию , в заданном направлении .

27. Максимальные наклоны мульды сдвижения — наибольшие наклоны интервалов мульды сдвижения.

В точках мульды различают максимальные наклоны по простиранию , вкрест простирания в полумульде по падению и восстанию , в заданном направлении .

Источник

Вам также может понравиться

Ясень семена способ распространения

Ясень обыкновенный Fraxinus excelsior – так в ботанической

Ярлыки способы создания ярлыков ос windows

Создаем ярлыки на рабочем столе Windows Создаем ярлыки

Японское удобрение фуджима способ применения

Удобрения Фуджима Знаете потрясающее удобрение, палочка

Японский чай способ заварки

Технология заваривания японского чая Известно, что