Общие сведения
Доля добычи угля под застроенными территориями в Донбассе составляет 15 – 20%. В связи с увеличением застройки угленосных площадей и возрастанием глубины разработки одна из основных мер защиты сооружений и природных объектов от вредного влияния гор- ных работ – оставление предохранительных целиков становится невы- годной из-за больших потерь угля. Для разработки других методов охраны сооружений требуются глубокие знания закономерностей про- цесса сдвижения не только земной поверхности, но и всей подрабаты- ваемой толщи пород.
При определенных размерах выработанного пространства сдви- жение горных пород распространяется до земной поверхности, вызы- вая на ней образование мульды сдвижения.
Под мульдой сдвижения понимают участок земной поверхно- сти, подвергшийся сдвижениям, величины которых превышают так называемые граничные значения сдвижений и деформаций (наклоны и растяжения 0,5·10-3оседания 10-15 мм).
К основным параметрам, характеризующим процесс сдвижения земной поверхности, относятся:
1. Граничные углы þ0, m 0 , 60
– внешние относительно вырабо-
танного пространства углы, образованные на вертикальных разрезах в
главных сечениях мульды горизонтальной линией и линиями, соеди- няющими границы выработанного пространства с границами мульды сдвижения (см. рис. 5.1).
а)
|
0
γ0
|
1
б)
δ δ
δ0
δ0
Ψ3 Ψ3
Рисунок 5.1 – Углы сдвижений
2. Углы сдвижения в коренных породах
þ , m , 6
– с границами
опасных сдвижений. За границы зоны опасных сдвижений в главных сечениях мульды сдвижения принимаются точки, в которых величины деформаций имеют т.н. критические значения: наклоны 4·10-3; растя- жения 2·10-3; кривизны 0,2·10-31 м .
3. Углы полных сдвижений
Y1, Y2, Y3
– внутренние относи-
тельно выработанного пространства углы, образованные на вертикаль- ных разрезах в главных сечениях мульды плоскостью пласта и линия-
ми, соединяющими границы выработанного пространства с границами плоского дна мульды (или с точкой максимального оседания при от- сутствии плоского дна мульды).
4. Угол максимального оседания θ – угол со стороны падения пласта, образованный на вертикальном разрезе в главных сечениях мульды горизонтальной линией и линией, соединяющей середину очи- стной выработки с точкой максимального оседания при отсутствии плоского дна в мульде или серединой плоского дна мульды.
5. Максимальные величины сдвижения (вертикальные, горизон- тальные и др.) поверхности.
5.2 Схема сдвижения
Деформации и сдвижения пород вокруг очистной выработки распределяются в соответствии с законами механики горного массива, стремящегося к установлению нового состояния равновесия. Часть массива горных пород, в пределах которой происходят деформации, сдвижение и обрушение пород, вызванные перераспределением на- пряжений в результате ведения очистных работ, называется областью влияния очистной выработки. В пределах области влияния в массиве пород можно выделить следующие зоны, которые различаются степе- нью и характером воздействия на них очистной выработки (рис. 5.2). Это схема Зари Н.М., Музафарова Ф.И. для одиночной лавы.
VШ VI
VIII
IV
III V
V II
I
V
VII
V
Рисунок 5.2 – Схема сдвижения массива:
I – зона беспорядочного обрушения;
II – свободного и последовательного прогиба слоев с раз- рывом их сплошности (ядро купола сдвижения);
III – наибольших прогибов слоев с возможным образова- нием полостей и раскрытых трещин;
IV – совместного прогиба подработанной толщи пород c трудно-заметным разрывом их сплошности по напла- стованию;
V – опорного давления;
VI – прилегающая к земной поверхности;
VII – упругого восстановления или поднятия пород почвы;
VIII – зоны незначительной разгрузки, сопровождающиеся поднятием пород.
Границы зон проведены с некоторым приближением и критерий разделения зон - относительная деформация более 0,5·10-3.
Высота зоны беспорядочного обрушения, в которой разрыхлен- ные породы создают подпор для прогибающихся слоев кровли и поч- вы, невелика и не превышает 4 – 6 кратной мощности пласта. Нередко обрушение пород вообще не происходит в тех случаях, когда ширина выработанного пространства недостаточна для обрушения пород кровли или, когда создаются условия для плавного сближения боковых пород в выработанном пространстве.
Зона полных сдвижений, оконтуренная углами
Yi, включает
зону I и центральные части II и III зон. Она характеризуется тем, что породы в ней получили опору на почве вынимаемого пласта. Высота II и III зон равна половине длины лавы. IV зона распространяется до на- носов. В ней наблюдались полости между слоями). В VI зоне – на не- большом расстоянии от поверхности (12 – 18 м) могут быть разрывы. Причина их – резкое уменьшение жесткости слоев, т.к. породы слабые. В зоне разгрузки VII напряжения перпендикулярные напластованию меньше соответствующих напряжений в нетронутом массиве. Такая зона имеется и в кровле (I–II). Форма VII зоны – полуэллипс или пара- бола. В зонах VIII возможно поднятие пород, т.к. они работают как балки. Зона опорного давления – в ней при проведении горной выра- ботки сила тяжести пород над выработанным пространством, не полу- чивших опоры на почве выработок, перераспределена на нетронутые части пласта, пригружая их.
Опорное давление – это нормальные к пласту сжимающие на- пряжения, которые больше гидростатических и действуют по опорно- му контуру и вблизи него.
На рисунке 5.3 показан план расположения зон опорного давле- ния: 1 – передняя зона; 2, 3, 4 – боковые: 2 – динамического опорного давления, 3 – затухания динамического опорного давления, 4 – стати- ческого (установившегося) опорного давления; 5 – задняя зона. Во 2-й зоне опорное давление меняет свою интенсивность, характер распре- деления и ширину охватываемой им зоны. В 3-ей зоне происходит ин- тенсивное уменьшение зоны. В 4 зоне повышенные напряжения на- блюдается в течение нескольких лет. Боковое давление подчиняется тем же закономерностям, что и впереди лавы. На величину опорного давления влияют глубина разработки, мощность пласта и др.
1 
5 1 1
4 3 2
Рисунок 5.3 – План расположения зон опорного давления
лавы:
На рисунке 5.4 показано распределение напряжений впереди
г – участок нарастающих давлений (предельно напряженная зо-
на), где присутствуют необратимые деформации;
а – участок отжима угля;
в – участок спада упругих деформаций; (в + г) – опорное давление.
1 –1
σy
а в г
Lon
Рисунок 5.4 – Распределение опорного давления впереди лавы
Параметры зон опорного давления:
1. Ширина зоны опорного давления Lоп;
2. (а + в) – расстояние от забоя до максимума опорного давления;
3. Коэффициент концентраций напряжений;
4. Максимальное напряжение.
Для расчета остальных параметров важное значение имеют сле- дующие два положения:
– сумма дополнительной нагрузки на пласт равна силе, снятой с почвы выработки, определяется по формуле:
| |
2
; (5.1)
– определенность закона нарастания нагрузок в предельно на- пряженной зоне пласта.
Практически всегда можно аппроксимировать этот закон отрез- ком прямой. Как далеко распространяется предельно напряженная зо- на заранее не известно. Параметр “а” определяется при решении зада- чи об опорном давлении. Решена плоская задача теории упругости.
Лекция 6