Зсув гірських порід під час підземної розробки родовищ

20.1. Основні поняття.

Проведення гірничих робіт порушує природний стан масивів порід, гірських порід, у результаті останні виходять із рівноваги, деформуються і переміщаються. Зазвичай, ці процеси захоплюють всю товщу масиву, включаючи поверхню. Породи на земній поверхні також зазнають деформації та переміщення.

Зазначені явища можуть відбуватися і під впливом тектонічних процесів, вилуговування, водозниження, зміни механічних властивостей порід (при зволоженні або зневодненні) та інших причин.

Традиційно переміщення та деформування порід у результаті порушення рівноваги під впливом гірських розробок або інших природних (природних) процесів називаютьзсувом гірських порід та земної поверхні.

Зсув порід починається зазвичай з прогину покрівлі виробок, пройдених по пласту або покладу корисних копалин. У міру збільшення площі виробленого простору прогин порід зростає, в зсув втягується все більше шарів, відбувається зсув порід по площинах напластування, в товщі з'являються тріщини, що січуть, і тріщини розшарування, при цьому шари безпосередньої покрівлі розбиваються зазвичай на окремі блоки і обрушуються.

Під впливом гірських робіт у рух приходять і породи ґрунту, що зазнають підняття. Підняття ґрунту та видавлювання його у бік виробленого простору пояснюється зняттям з нього навантаження від вищих порід і перерозподілом напруг у масиві порід.

У процесі зрушення відбувається зміна обсягу порід: у зоні підвищеного (опорного) тиску породи ущільнюються, а зоні обвалення розпушуються. Розпушена порода, збільшуючись в обсязі, заповнює виробленепростір і створює підпор вищим шарам.

Інструментальні спостереження за зсувом товщі гірських порід і земної поверхні показують, що зміна напруженого стану і зсув породного масиву, що викликаються підземними гірничими роботами, поширюються на значні відстані, що у кілька разів перевищують розміри вироблених просторів.

Частину породного масиву, що зазнала зсуву під впливом гірських розробок, прийнято називатиобластю зсуву гірських порід,а відповідну частину земної поверхні-мульдою зсуву. У мульді зсуву розрізняютьнапівульду зсуву по падінню пластаL1 інапівульду зсуву по повстанню пластаL2.

Зміщення точок земної поверхні можуть мати різні значення та напрямки. Прийнято вертикальну складову вектора переміщення точки поверхні називатиосіданнямі позначатиh.Відповідно горизонтальні складові називаютьгоризонтальними зсувамиі позначаютьx(у напрямку хрест простягання) іz,(у напрямку простягання).

Вертикальні перерізи мульди по простяганню та хрест простягання пласта, що проходять через крапки з максимальним осіданням земної поверхні, називаютьголовними перерізами мульди зсуву(рис.20.1).

підземної

Мал. 20.1 Головні перерізи мульди зрушення вкрест простягання (а, в) і простягання (б, г) при неповному (а, б) і повному підробітку (в, г).

1-корисна копалина; 2-вироблений-простір; 3-земна поверхня до підробітку; 4-мульда зрушення; 5 ділянку з "плоським дном".

Межі мульди зсуву визначаютьсяграничними кутами.Це зовнішні щодовиробленого простору кути, утворені на вертикальних розрізах по головним перерізам мульди горизонтальною лінією і лініями, що з'єднують межі виробленого простору з граничними точками області зрушення (якими зазвичай приймають точки, що отримали осідання 10-15 мм). Розрізняють граничні кути по простяганнюdо, падіннюbоі повстаннюgопласта чи поклади.

Кути, утворені горизонтальними лініями і лініями, що з'єднують межі гірничих робіт і зовнішні межізони небезпечних деформацій, звутьсякутів зсуву.Визначають їх так само, як і граничні кути (на вертикальних розрізах за основними перерізами мульди зрушення). Подібно до граничних кутів вони позначаються відповідноd- по простяганню;b- по падінню іg- по повстанню покладу. Розрізняють кути зрушення в корінних породах (d,bіg) та в наносах (j).

Виділяють такожкути розривів(d¢,b¢,g¢)— зовнішні щодо виробленого простору кути , Утворені на вертикальних розрізах по головним перерізам мульди зсуву горизонтальними лініями і лініями, що з'єднують межу вироблення з найбільш віддаленої від центру зсуву мульди тріщиною. Кути розривів зазвичай на 5-10 ° крутіше кутів зсуву, але не більше 90 °.

При певному співвідношенні розмірів виробленого простору та глибини розробки в мульді зсуву утворюєтьсяплоське дно,тобто ділянка з максимально можливими осіданнями при даній потужності та вугіллі падіння пласта (поклади). У цьому ділянці зрушення носять переважно рівномірний характер. Умови, за яких у мульді зсуву утворюється плоске дно, прийнято називатиповним підробіткомземнимповерхні.

Кордони плоского дна визначаютьсякутами повних зрушень-y1,y2, таy3. При неповному підробітку положення точки, що має максимальне осідання, визначаєтьсякутом максимального осіданняq.

В умовах неповного підробітку максимальне осідання спостерігається, строго кажучи, в одній точці зсуву мульди і позначаєтьсяhmax, а при повному підробітку значення максимальних осіданнях характерні для безлічі точок плоского дна, вони позначаютьсяh0.

Нерівномірність зсуву гірських порід викликає деформацію земної поверхні. Для характеристики деформацій використовують такі параметри:

а)нахилиінтервалів у мульді зсувуi- відношення різниці осідання двох точок мульди до відстані між ними, виражені безрозмірною величиною; при розрахунку деформацій нахил характеризує нерівномірність розподілу осідання у перерізі мульди зсуву та визначається як перша похідна функції осідання;

б)кривизнамульди зсувуКр- відношення різниці нахилів двох сусідніх інтервалів мульди до напівсуми довжин цих інтервалів; кривизна характеризує нерівномірність розподілу нахилів у перерізі мульди зсуву та визначається як перша похідна функції нахилів та друга похідна функції осідання. Розрізняють виміряну кривизну мульди, одержувану безпосередньо за даними вимірювань, та розрахункову кривизну мульди, отриману розрахунковим шляхом (згладжена кривизна);

в)радіус кривизнимульди з руху - величина, обернена кривизні мульди зсуву, виражена в метрах RKр = 1/Кр;

г)відносні горизонтальні деформаціїв мульді зсувуeвідношення різниці горизонтальних зрушень двох точок мульди до відстані між ними, виражене безрозмірною величиною. При розтягуванніeвважається позитивним, при стисканні - негативним. Горизонтальні деформації характеризують нерівномірність горизонтальних зрушень у мульді та визначаються як перша похідна цих зрушень.

У мультфільмі зсуву виділяють зону небезпечних деформацій, за межами якої деформації не перевищують наступних критичних значень:

нахили мульди зсувуi= 4-10-3;

горизонтальні деформації (розтяг)e= 2 10-3.

Залежно від умов розробки деформації гірських порід і земної поверхні носять плавний або зосереджений характер. Концентрація деформацій на окремих ділянках викликає утворення в товщі порід і на земній поверхні тріщин і уступів, які вкрай несприятливо впливають на об'єкти, що підробляються. Іноді на земній поверхні утворюються провали. В умовах горизонтального та пологого залягання пластів тріщини, уступи та провали виникають при відпрацюванні потужних покладів корисних копалин на невеликих глибинах. Провали з'являються і на виходах під наноси пластів середньої потужності, що крутяться.

Період, протягом якого земна поверхня над виробленим простором знаходиться в стані зсуву, прийнято називатизагальною тривалістю процесу зсуву.

Із загальної тривалості процесу зсуву зазвичай виділяють період небезпечних деформацій, тобто період, протягом якого найбільш ймовірно поява пошкоджень в об'єктах, що підробляються. Нерідко його пов'язують зі швидкістю осідання земної поверхні. Так, у низці нормативних документів під періодом небезпечних деформацій розуміють проміжокчасу, протягом якого земна поверхня осідає зі швидкістю не менше 50 мм на місяць при пологому та похилому заляганні пластів або рудних тіл і не менше 30 мм на місяць в умовах крутого залягання.

Залежно від способу визначення розрізняють зрушення та деформаціїфактичні,виміряні,очікуваніаборозрахункові.

Підфактичнимирозуміють зрушення та деформації, які насправді зазнали гірські породи та земна поверхня під впливом виїмки корисних копалин.

Виміряниминазивають зрушення та деформації, отримані за даними натурних спостережень на конкретній ділянці родовища при певних довжинах інтервалів, частоті та точності спостережень. При дискретному характері процесу зсуву виміряні деформації можуть істотно відрізнятися від фактичних за рахунок їх штучного "згладжування", якщо відстань між реперами можна порівняти з розмірами (або більше) блоків, на які розбивається масив при підробці, а частота спостережень не відповідає швидкості та характеру розвитку процесу . При малих значеннях виміряні зрушення та деформації відрізняються від фактичних за рахунок похибок спостережень.

Очікувані або розрахункові зрушення та деформаціївизначають шляхом передрахунку за формулами, таблицями або графіками, складеними на підставі узагальнення результатів спостережень у даних (або аналогічним даним) гірничодобувних районах. Оскільки при узагальненні виробляють опосередкування виміряних деформацій, типові криві району (чи групі районів) відрізняються від виміряних на конкретних ділянках родовища.