РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ НЕДР
ИПКОН РАН
На правах рукописи
ЩЕДРИНА НАТАЛЬЯ НИКОЛАЕВНА
РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАССИВОВ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ С НЕИЗУЧЕННЫМ ХАРАКТЕРОМ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ
Специальность 25.00.20 – «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель
доктор технических наук, профессор
М. А. ИОФИС
Москва 2013
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗА ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ 9
1.1 Обобщение опыта по изучению сдвижения горных пород 9
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 31
2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ С НЕИЗУЧЕННЫМ ХАРАКТЕРОМ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ 33
2.1 Основные понятия и угловые параметры процесса сдвижения горных пород и земной поверхности 34
2.2 Определение величины угла сдвижения земной поверхности на месторождениях с неизученным характером процесса сдвижения 40
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 52
3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ СОСТОЯНИЕ И СТРОЕНИЕ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД 53
3.1 Анализ зависимости прочности горных пород на сжатие от глубины их залегания 53
3.2 Анализ влияния влажности на прочностные свойства горных пород 56
3.3 Аналитический метод определения параметрического значения коэффициента структурного ослабления 60
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 73
4 УСТАНОВЛЕНИЕ КРИТЕРИЕВ ПОДОБИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И СОСТАВЛЕНИЕ ИХ КЛАССИФИКАЦИИ 75
4.1 О состоянии классификации месторождений полезных ископаемых 75
4.2 Оценка состояния классификаций критериев подобия месторождений полезных ископаемых 77
4.3 Классификация горных пород в массиве по прочности………………………………………………………………………83
4.4 Классификация горных пород в массиве по трещиноватости. Коэффициент структурного ослабления 87
4.5 Определение состояния массива горных пород. Сведение всех классификаций к единой классификации 92
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 103
5 ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ ОБРАТНОЙ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ ПРИ ОБРАЗОВАНИИ НАД ГОРНЫМИ РАБОТАМИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ – АНАЛОГОВ ПРОВАЛОВ И КРУПНЫХ ТРЕЩИН 104
5.1 Основные факторы, определяющие образование провалов и крупных трещин в массиве горных пород 104
5.2 Иерархически блочная структура и характерные зоны массива горных пород……………………………………………………………………………106
5.3 Разработка методики решения обратной геомеханической задачи при образовании над горными работами месторождений – аналогов провалов и крупных трещин 113
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5 122
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 123
Список использованных источников 125
ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. В последнее время, в связи с истощением запасов полезных ископаемых, расположенных в благоприятных условиях, все чаще приходится вовлекать в добычу месторождения, залегающие на больших глубинах и в сложных, недостаточно изученных, а иногда и совсем неизученных условиях. Особенно остро ощущается эта ситуация в период проектирования горнодобывающих предприятий, когда принимаются базовые технические решения, от надежности которых во многом зависит будущее этих предприятий. Но именно в этот период на месторождениях с неизученным характером процесса сдвижения имеется очень мало исходных данных, необходимых для надежного обоснования принимаемых технических решений. Определение углов сдвижения, используемых для построения предохранительных целиков, производится по способу проф. Д.А. Казаковского, базирующегося на зависимости этих углов от прочностных свойств горных пород, вмещающих полезное ископаемое. В настоящее время этот способ имеет ограниченную область применения по ряду причин, основными из которых являются:
- способ составлен более полувека тому назад и сильно устарел. Ее автор базировался на свойствах пород, определяемых по керну скважин в лабораторных условиях. Практика горного дела показала, что для блочно-слоистого массива горных пород, каким является этот массив на большинстве месторождений, являются структура, состояние и строение массива, которые в способе Д.А. Казаковского не учитываются.
- способ составлялся в период, когда горные работы велись на малых глубинах, и основной мерой охраны подрабатываемых объектов было оставление предохранительных целиков. В современных условиях эта мера охраны совершенно недопустима, так как размеры целиков растут пропорционально квадрату глубины горных работ, при этом стоимость каждой тонны вскрытых и подготовленных к выемке запасов полезного ископаемого, оставляемых в целике, также увеличивается. Поэтому современные Правила охраны сооружения базируются на инженерных методах расчета, для выполнения которых требуется более подробная информация о геомеханичском состоянии массива горных пород, чем она содержится в существующей классификации.
- способ базируется на одном показателе – прочности пород, в то время как геомеханическое состояние массива определяется, прежде всего, отношением нагрузки на горную породу к ее прочности. При одной и той же прочности пород это отношение, в зависимости от глубины, может меняться в несколько раз, что необходимо учитывать, особенно при современных глубинах разработки месторождений полезных ископаемых.
Следовательно, способ Д.А. Казаковского для оценки геомеханического состояния массива горных пород и прогноза изменения этого состояния под влиянием горных работ имеет ограниченную область применения. Между тем геомеханическое состояние массива горных пород входит в число основных исходных данных, на базе которых выбираются система разработки и ее параметры, виды крепи горных выработок и способы управления горным давлением, методы охраны сооружений поверхности и другие технические решения.
В соответствии с изложенным, развитие методов оценки механических характеристик массивов осадочных пород на месторождениях с неизученным характером процесса сдвижения, включающее разработку классификаций критериев подобия месторождений полезных ископаемых с учетом современных условий их освоения, является важной и актуальной задачей.
Цель диссертационной работы является повышение эффективности геомеханического обеспечения освоения месторождений твердых полезных ископаемых с неизученным характером процесса сдвижения путем установления и использования зависимостей параметров этого процесса от основных влияющих факторов.
Идея работы использование критериев подобия месторождений с изученным характером процесса сдвижения и взаимосвязи показателей неоднородности массива горных пород, полученных в лабораторных и натурных условиях, для определения параметров геомеханических процессов на месторождениях с неизученным характером процесса сдвижения.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие основные задачи:
- Установить критерии подобия месторождений и составить их классификацию.
- Определить показатели, характеризующие состояние и строение массива горных пород.
- Установить зависимость угловых параметров сдвижения горных пород от основных влияющих факторов.
- Определить условия образования провалов на месторождениях-аналогах и разработать методы установления местоположения полостей в толще горных пород, вызывающих эти провалы.
Методы исследования поставленных задач
Для решения поставленных задач в работе использован комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение имеющегося опыта применения методики установления месторождений – аналогов, изучение свойств и состояния горных пород в натурных и лабораторных условиях, сопоставление результатов расчета с данными наблюдений и оценку их точности.
Основные защищаемые положения:
- Классификация критериев подобия, базирующаяся на показателях, характеризующих строение, свойства и состояние массивов горных пород на этих месторождениях, позволяющая существенно упростить и повысить надежность выбора месторождений – аналогов.
- Зависимость угловых параметров сдвижения горных пород от основных влияющих факторов, отражающая роль каждого из них в развитии общего процесса деформирования подрабатываемого массива горных пород, что существенно расширяет возможности управления этими процессом.
- Метод оценки механических характеристик горных пород путем учета их неоднородностей, выражаемых отношением сопротивления пород растяжению или сдвигу к сопротивлению сжатию, позволяющий использовать данные лабораторных исследований образцов пород для определения механических характеристик массива.
- Методика прогноза и учета образования над горными работами провалов и крупных трещин при выборе месторождений аналогов, направленная на предотвращение разрушений подрабатываемых объектов на месторождениях с неизученным характером процесса сдвижения.
Научная новизна:
- Установлено, что показатель неоднородности массива горных пород находится в прямой зависимости от отношения сопротивления пород на растяжение или сдвиг к их сопротивлению сжатию и выражается корнем квадратным из этого отношения.
- Показано, что для определения угловых параметров сдвижения горных пород на месторождениях с неизученным характером процесса сдвижения необходимо и достаточно учитывать четыре основных фактора, характеризующие свойства, состояние, строение и горно-геологические условия разработки месторождения.
- Разработана классификация критериев подобия месторождений (аналогов), впервые обеспечивающая необходимой информацией при проектировании освоения месторождений с неизученным характером процесса сдвижения.
- Получила развитие теория подобия в строении и деформировании горных пород на микро- и макроуровнях.
Достоверность научных положений и выводов обоснована использованием современных методов теоретических исследований, базирующихся на основных достижениях в области геомеханики, соответствием результатов расчетов критериям действующих нормативных документов и опыту ведения добычных работ на горнодобывающих предприятиях.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная классификация критериев подобия позволяет решать вопросы, возникающие при составлении проектов освоения месторождений с неизученным характером процесса сдвижения, в частности обеспечить необходимыми достоверными данными о свойствах, состоянии, строении и горно-геологических условий разработки месторождений.
Апробация результатов работы. Основные научные положения и результаты исследований обсуждались на научных симпозиумах «Неделя горняка – 2010» (Москва, МГГУ), на секционных заседаниях 7-й, 8-й, 9-й Международной научной школы молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (Москва, ИПКОН РАН, 2010-2013).
Публикации. Результаты исследований отражены в 8 опубликованных работах, 4 их которых - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 132 страницах машинописного текста, содержащих 24 рисунка, 19 таблиц, список литературы из 93 наименований.
- СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗА ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
- Обобщение опыта по изучению сдвижения горных пород
Подземная разработка месторождений приводит к нарушению геомеханического равновесия горного массива в пределах шахтных полей, сдвижению и разрушению горных пород. Поэтому на стадии разработки проектной документации и освоения месторождения необходимо прогнозировать геомеханическое состояние массива горных пород в целях обеспечения промышленной безопасности в добывающих регионах. Но прежде чем излагать новые положения, предлагаемые нами, необходимо остановиться на состоянии изученности явления сдвижения горных пород.
В процессе формирования горных наук область знаний, связанная с изучением сдвижения горных пород, претерпела ряд изменений и неоднократно переходила из одной группы в другую, в зависимости от решаемых этой наукой на определенном историческом этапе задач и используемых при систематизации признаков. Долгое время задачи, решаемые с помощью положений науки о сдвижении горных пород, относились к области знаний, называемой маркшейдерским искусством. Позже эта область знаний стала называться маркшейдерским делом или сокращенно маркшейдерией. Многие методы, приборы и инструменты, используемые в маркшейдерии, применяются в настоящее время и при изучении сдвижения горных пород. Вместе с тем, при анализе и обобщении полученных результатов все больше используются методы геомеханики. Природа и механизм сдвижения горных пород рассматриваются в тесной связи с напряженно-деформированным состоянием породного массива и происходящими в нем геомеханическими процессами. Поэтому необходимое представление о состоянии и развитии науки о сдвижении горных пород можно получить только при изучении ее истории в должной увязке с историей маркшейдерии и особенно геомеханики.
Становление геомеханики как науки началось с формирования и развития механики горных пород, которая входит в физику горных пород и процессов в качестве ее части. Механике горных пород, в отличие от классической механики, свойственны специфические методы и области применения, связанные с особенностями горных пород как объекта изучения [1].
Основными задачами, решаемыми в геомеханики, являются управление горным давлением в целях безопасного и рационального извлечения полезного ископаемого, учет и оценка нарушений начального состояния объектов, расположенных в зоне влияния горных работ, как в массиве, так и на земной поверхности. Сокращенно эти проблемы стали называться горным давлением и сдвижением горных пород. По методам изучения геомеханических процессов геомеханика подразделяется на аналитическую и эмпирическую. На рубеже XIX-XX вв. стали формироваться представления и высказываться гипотезы о горном давлении. Им предшествовали начатые во второй половине XIX в. инструментальные наблюдения за сдвижением горных пород и оседанием дневной поверхности. Исходя из наблюдений за деформациями горных пород, раскрытием трещин и разрывами, горные инженеры Европейских стран и США во второй половине XIX в. стали приходить к выводу о существовании «собственных напряжений» в горных массивах. В России вопросы, относящиеся к геомеханике, впервые были поставлены на страницах "Горного журнала", основанного в 1825 г. В нем периодически публиковались материалы различных авторов, анализирующих методы подземной разработки угольных и рудных месторождений с позиций механики горных пород.
Сдвижение горных пород и земной поверхности, связанное с подземными разработками, привлекает внимание деятелей горного дела в течение нескольких столетий. Уже давно установлено, что характер и интенсивность сдвижений зависят от целого ряда геологических и горноэксплутационных факторов. При определенных условиях эти сдвижения не представляют угрозы для сооружений, попадающих в зону влияния горных разработок. В других случаях, наоборот, они настолько велики, что вызывают повреждение или разрушение сооружений.
Проблема сдвижения горных пород тесным образом связана с вопросами охраны недр и безопасности горных работ. Несмотря на многовековую историю, решение этой проблемы долгое время шло медленными темпами.
Первые попытки теоретических построений, объясняющих сдвижение пород вплоть до поверхности, относятся уже к началу 18 - ого столетия. В 1838 г. Туайе, занимаясь вопросами обрушения пород, высказал мысль, что излом пород происходит по плоскостям, перпендикулярным к напластованию. Несколько позже 1858 г. бельгиец Гоно развил эту мысль. Теория Туайе-Гоно [87], получила впоследствии название «правила нормалей». Теория Туайе-Гоно, вытекает из следующих рассуждений. Вес пласта кровли, разлагается на составляющие: нормальную к напластованию и действующую вдоль пласта. Последняя уравновешивается реакцией нижележащих пород, и движение кровли будет происходить только под влиянием нормальной составляющей.
Отсюда следует, что плоскости изломов у нижней и верхней границ выработки будут иметь одинаковые направления.
Следует отметить, что во времена Гоно разработки велись на сравнительно неглубоких горизонтах, причем, вверху пласты обычно отрабатывались ранее, так что угол нельзя было получить и, следовательно, нельзя было проверить справедливость «теории нормалей» в этой части. Что же касается угла, то такие случаи, как, например, повреждение жилых кварталов города Льежа, казалось, подтверждали справедливость этой теории. Несмотря на свою, казалось бы, примитивность, этой теории суждено было сыграть большую роль в истории развития рассматриваемых вопросов. Долгое время вокруг этой теории шел спор. Теория Туайе-Гоно, несмотря на многочисленные возражения, получила распространение в Бельгии и горнопромышленных районах Северной Франции.
Несколько позже (1871 г.) выступил бельгиец Г. Дюмон [85] с большим трудом, написанным по поручению городского управления Льежа. В основном Дюмон поддерживает Гоно и значительно развивает вообще теорию сдвижения горных пород.
Верхний предел угла падения, при которой направление поверхности излома уже отклоняется от нормали, Дюмон находит равным 68°, указывая, что такие породы, как песчаник и сланец, будут удерживаться трением и не будут сдвигаться по плоскостям с наклоном меньше 22°.
В остальных случаях направление плоскостей излома, по Дюмону, должно совпадать с нормалью к напластованию. Он так же, как и Гоно, полагал, что покрывающая толща состоит из согласно залегающих слоев песчаника, сланцев и других пород и что изломы в такой среде происходят в каждом слое последовательно.
К этой теории Дюмон, однако, делает ряд дополнений. Прежде всего, он придает большое значение тектоническим нарушениям, влияющим на направление поверхностей изломов. Так представляя себе роль складчатости в распространении изломов, Дюмон, развивая теорию нормали, строит в толще пород линию излома, строго следуя нормали к напластованию. Далее Дюмон указывает, что дизъюнктивные нарушения могут отклонять направление поверхности излома от нормали к пласту. Отклонение от нормали, как полагал он, может быть вызвано наличием наносов, обычно залегающих несогласно с коренными породами; угол излома в наносах он принимал от 30 до 58°.
Как увидим ниже, все эти положения оказались весьма дискуссионными, но у Дюмона мы находим суждения, не вызывающие до наших дней никаких возражений.
В специальной главе он останавливается на вопросах повреждения поверхности и находящихся на ней сооружений. Здесь автор довольно подробно анализирует мульду сдвижения с точки зрения опасности различных ее частей для сооружений и приходит к выводу, что опасными являются места, составляющие краевую зону мульды сдвижения. Сопоставляя это обстоятельство с характером распределения оседаний, Дюмон приходит к заключению, что повреждения происходят не от оседаний, а от неравномерности таковых, т. е. что для сооружений опасны не абсолютные оседания, а относительные, создающие наклоны поверхности и сооружений. Значение неравномерности оседаний получило дальнейшее развитие в работах более поздних исследователей, но здесь уместно подчеркнуть, что это одно из важных положений современного учения о повреждениях сооружений под влиянием горных разработок было высказано со всей определенностью еще в 1871 г. Дюмон полагал, что сооружение, попавшее в середину мульды, меньше пострадает, нежели сооружение, находящееся в краевой зоне мульды.
Не вызывает возражений до сих пор и его суждение о том, что для уменьшения повреждений поверхности следует вести разработки одновременно сплошным забоем на возможно большей площади. При этом автор указывал, что оставление недостаточных целиков приносит скорее вред, чем пользу, а в очистных пространствах не рекомендовал оставлять какие бы то ни было целики, так как это неблагоприятно отражается на состоянии поверхности.
Вопрос о соотношении между оседанием поверхности и мощностью разрабатываемого пласта — один из основных вопросов сдвижения поверхности, и ему в последующих исследованиях уделялось много внимания. Уменьшение оседания с увеличением глубины связывалось с увеличением в объеме сдвигающихся пород. Отсюда возникло предположение, что при некотором соотношении между мощностью пласта и глубиной его залегания оседание может не достичь поверхности, затухнув в толще пород вследствие увеличения последних в объеме. Такая глубина получила даже особое название – «мертвой глубины».
Последующие исследования не подтвердили существования „мертвой глубины", т. е. при достаточно большой площади очистных выработок по сравнению с глубиной всякий раз сдвижения достигают поверхности.
Таким образом, уже в работе Дюмона были затронуты главнейшие вопросы сдвижения дневной поверхности.
«Теория нормалей» подверглась критике со стороны профессора Ржиха. В 1882 г. Ржиха опубликовал свою теорию, сущность которой сводилась к тому, что над выработкой породы обрушаются, и область обрушения принимает форму параболоида. Но на этом процесс не заканчивается. Перенапряженность в окружающих породах вызывает дальнейшие разрушения их и дальнейшее сдвижение. Сдвижение будет охватывать последовательно зоны. Процесс закончится, когда граница обрушившихся пород ограничится линией, проведенной под углом естественного откоса данной породы. Таким образом, Ржиха приходил к заключению, что мульда оседания оконтуривается углами естественного откоса.
Согласно взглядам Ржиха, сдвижение пород происходит только в виде обрушений, в частности отрицается изгиб пород. Последнее нельзя признать правильным. Кроме того, к недостаткам теории Ржиха следует отнести то обстоятельство, что в ней не различались углы, и. Положительный аспект в теории Ржиха заключается в том, что здесь впервые указывалось на зависимость сдвижения пород от механических свойств горных пород. Несмотря на ряд недостатков, теория Ржиха явилась значительный шагом вперед.
Почти одновременно с теорией Ржиха опубликовал свою работу Файоль. Наблюдения за сдвижением поверхности и лабораторные исследования на моделях привели Файоля к теории, несколько схожей с теорией Ржиха. Прежде всего, Файоль также допускал форму сдвижения пород в виде обрушения. Область, затрагиваемая сдвижением, по Файолю, имеет форму купола. При этом автор теории полагал, что купол будет сохранять свою устойчивость и после того, как механизм свода не будет уже существовать. Последнее он объяснил способностью пород увеличиваться в объеме и заполнять все свободное пространство внутри купола.
К 1876 - 1884 гг. относится обстоятельно разработанная теория Ичинского [90]. Автор теории рассматривает факторы, влияющие на течение процесса, и выделяет из них наиболее важные:
- мощность пласта;
- угол падения;
- глубину залегания;
- механические свойства покрывающих пород.
Сам процесс сдвижения пород, по Ичинскому, распадается на два периода, из которых первый - это процесс быстрого обрушения и второй - сдвижение пород. При этом автор считает, что, кроме обрушения, сдвижение пород может происходить и в виде прогиба и в виде течения массы. В частности, он полагал, что в каменноугольных породах происходят обрушения, а в наносах прогиб. Такая точка зрения представляла существенное дополнение к ранее высказанным взглядам.
В конце прошлого столетия (1895 - 1897 гг.) предложил свою теорию Гауссе, ее особенно поддерживал известный отечественный ученый профессор П.М. Леонтовский. Гауссе в своих рассуждениях придает большое значение механическим свойствам пород и их чередуемости. Значительное внимание уделено роли систем разработок, в частности подчеркнуто, что при работах с закладкой преобладает прогиб пород.
В 1908 - 1914 годах М. М. Протодьяконов принял участие в создании многотомного капитального труда «Описание Донецкого бассейна», в котором им были написаны следующие разделы: «Проходка шахт и квершлагов» и «Крепление шахт и квершлагов».
Начиная с 1906 года им в специализированных научных изданиях, таких как «Записки Екатеринославского технического общества», «Известия Екатеринославского высшего горного училища», «Горнозаводской листок» и «Горный журнал», был опубликован целый ряд работ о расчёте рудничной крепи и горном давлении, которые принесли ему известность как учёного-горняка. Первое обоснование новых методологических приёмов даётся в его работе «О некоторых попытках применения математики к горному искусству». Также эти идеи получили воплощение в его диссертации, опубликованной под тем же названием в «Горном журнале» за 1909 г. Им была выдвинута оригинальная теория горного давления и впервые выведена формула для расчёта горного давления. В обобщенном виде эта теория дана им в труде «Давление горных пород и рудничное крепление» (1930). Предложенная М.М. Протодьяконовым шкала коэффициента крепости горных пород явилась первым реальным способом для оценки горных пород по их буримости, взрываемости, зарубаемости и т. п.
Основные научные труды профессора М. М. Протодьяконова посвящены проблемам давления горных пород, крепления горных выработок, рудничной вентиляции и технического нормирования в горной промышленности. Труды профессора М.М. Протодьяконова в области рудничного проветривания были использованы при разработке правил техники безопасности в горной промышленности. Им также создана методология нормирования горных работ.
В 1913 г. опубликовал обширную монографию профессор Гольдрейх [86]. В основу этой работы он частично положил результаты исследований Ичинского, а частично свои собственные исследования поведения железных дорог в местах подработки подземными выработками. Гольдрейх пришел к заключению, что в породах каменноугольного возраста направление трещин изломов согласуется с теорией Ичинского, а в породах третичных направление трещин изломов существенно отличается от правила Ичинского. Гольдрейх указывает, что оседание поверхности протекает тем более плавно, чем больше толща третичных отложений. В каменноугольных породах сдвижение происходит по направлению, которые не противоречит правилу Ичинского. В третичных породах величина углов, ограничивающих область сдвижений, существенно зависит от механических свойств этих пород: от степени связности пород, насыщенности водой и др.
В начале 19-ого столетия вопросам сдвижения горных пород значительную часть своих трудов посвятил профессор П.М. Леонтовский. В работе [46] он дал обстоятельный обзор изученности сдвижения горных пород. Обзор показал весьма слабую изученность вопроса, которая имела место не только в 1912 г., но и значительно позже. Петр Михайлович предпринял попытку обосновать выбор углов сдвижения для расчета охранных целиков. В 1923 г. издаются «Временные правила оставления предохранительных целиков под охраняемыми зданиями на рудниках Донбасса» разработанные при участии профессора П.М. Леонтовского. Но уже в 1927 г. эти правила были переработаны профессором И.М. Бахуринным, которые с некоторыми изменениями и дополнениями применялись вплоть до 1939г. Как оказалось впоследствии Правила 1923-1927 гг. далеко не отвечали своему назначению. Это было связано, прежде всего с тем, что данные правила не были подкреплены данными фактических наблюдений.
В 1925-1926 гг. А.Н. Диннинк [18] предложил использовать теорию упругости для описания напряженно-деформированного состояния горных массивов и сформулировал решение задачи теории упругости для тяжелого полупространства в предположении равенства нулю горизонтальных деформаций. Отсюда появилось понятие исходного бокового давления, отличного от нуля, а отношение этого давления к вертикальному горному давлению получило название коэффициента исходного бокового давления.
Таким образом, в 1920—1930-х годах прошлого столетия впервые при решении проблем горного давления стали использоваться исходные понятия об упругих средах, закон Гука и уравнения равновесия. При этом заметим, что к этому времени уже была разработана теория упругости, которая наряду с сопротивлением материалов широко использовалась в мостостроении, машиностроении и других отраслях науки и техники.
В этот период А.Н. Динник совместно с Г.Н. Савиным и А.Б. Моргаевским [19] успешно развивают идею использования в горном деле методов решения задач теории упругости. Они впервые детально описали распределение напряжений вокруг горизонтальных выработок круглого, эллиптического и прямоугольного сечений в скальных породах. В те же годы чилийский геолог Р. Феннер [84], как и А.Н. Динник, предложил считать горный массив линейно-упругим вне приконтурной зоны горной выработки. Ограничиваясь описанием напряженного состояния горных пород вокруг выработки круглого сечения, он выделяет зону пониженных напряжений с существенным смещением горных пород в выработку (зона Тромпетера), зону повышенных напряжений с разрывами породы и остальную часть массива, в котором с удалением от выработки, ее влияние на напряженное состояние горных пород затухает. Р. Феннер обратил внимание на необходимость учета пластичности горных пород, неоднородности, слоистости, рельефа местности при изучении напряжений и смещений.
В середине 1930-х годов профессор Д.С. Ростовцев [67] первым выдвинул гипотезу горного давления в очистных выработках, которая была положена в основу управления кровлей в лавах (Донбасс). Суть ее в том, что когда подработанная на больших площадях кровля зависает, в краевых частях возникает опасная концентрация напряжений и может произойти обрушение основной кровли (вторичная осадка). При достаточно мощной непосредственной кровле и подбучивании ее вторичная осадка не оказывает существенного влияния на призабойную крепь. В 30-е годы академик Л.Д. Шевяков [80] предложил метод расчета целиков при камерно-столбовой системе разработки. Суть метода состоит в том, что на каждый целик давит вес столба пород до поверхности. Площадь сечения этого столба равна сумме площади самого целика и половины площади потолочин камер, примыкающих к целику. Такой подход к учету целиков был достаточно обоснован Г.Н. Кузнецовым и М.А. Слободовым [40] применительно к пластовым месторождениям соли путем измерений напряжений методом разгрузки, который был предложен Д.Д. Головачевым [16] в 1935 г. для исследования строительных конструкций.
Большие заслуги в развитие исследовательских работ принадлежат профессору И.М. Бахурину [7]. Под непосредственным его руководством, начиная с 1928 г., почти во всех крупных горнопромышленных районах СССР проводились многочисленные инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности и пород в рудниках. И.М. Бахурин воспитал школу своих учеников и последователей, в течение длительного времени работавших по вопросам сдвижения горных пород (С.Г. Авершин [1; 2], М.В. Коротков [34], Д.А. Казаковский [25;26], Г.Н. Кузнецов [38; 39], П.Ф. Гертнер [15], О.Л. Кульбах [44], З.И. Поляк [55], И.А. Блашкевич [9], М.А. Кузнецов [3] и др.).
Наличие разнообразных геологических и горноэксплутационных условий, а также непрерывное изменение этих условий по мере развития горных работ исключали возможность составление окончательных и исчерпывающих Правил охраны сооружений.
Правила охраны сооружений, разрабатывавшиеся для отдельных месторождений и бассейнов, отражали изученность вопросов сдвижения горных пород лишь на определенном этапе развития наблюдений.
Дальнейшие наблюдения и исследования углубляли представление о характере процесса сдвижений и вызывали необходимость уточнения и дополнения ранее составленных Правил.
С 1938 по 1998 гг. ВНИМИ и его филиалами были разработаны:
- Правила охраны сооружений от вредного влияния горных разработок в Донбассе и Подмосковном бассейне (изданы в 1939г.);
- Правила для Кузбасса (изданы в 1940 г.);
- Проект Правил для шахт Воркутинского угольного месторождения (изданы 1946 г.);
- Правила для Карагандинского бассейна (изданы в 1949 г.);
- Изменения и дополнения к правилам 1939 г. для Донбасса (изданы в 1949 г.);
- Правила для Челябинского буроугольного бассейна и Буланашского месторождения (изданы в 1950 г.)
- Правила для Кизеловского бассейна (изданы в 1950 г.);
- Правила для Черемховского угольного месторождения (изданы в 1951 г.);
- Указания по охране сооружений от вредного влияния подземных разработок на угольных месторождениях Средней Азии (изданы в 1951 г.)
- Указания по охране сооружений от вредного влияния подземных разработок на угольных месторождениях Приморскуголь и Хабаровскуголь (изданы в 1951 г.);
- Указания по охране сооружений от вредного влияния подземных разработок на угольных и сланцевых месторождениях с неизученным характером сдвижения горных пород (изданы в 1951 г.).
- Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на угольных месторождениях (изданы в 1981 г.)
- Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на угольных месторождениях (изданы в 1998 г.)
Приведенный перечень Правил и Указаний свидетельствует об исключительно больших масштабах и значительных результатах инструментальных наблюдений, проведенных в ряде горнопромышленных районов страны.
Инструментальные наблюдения, проведенные в период с 1928 по 1935 гг., позволили осветить ряд неизученных вопросов сдвижения горных пород и предпринять первые попытки создания методов предрасчета сдвижений. Работы в этом направлении были начаты профессором С.Г. Авершеным [1] в 1935-1936 гг.
В конце 1930-х годов С.Г. Авершин [2] предложил способ расчета сдвижения земной поверхности на основе результатов натурных измерений. Попытка положить в основу теории сдвижения горных пород общие свойства сплошной среды и математический аппарат теории упругости и пластичности не привели к созданию чисто теоретических приемов количественной характеристики процесса сдвижения. В силу этого на современном этапе предрасчет сдвижений пришлось основывать, главным образом, на закономерностях и величинах, выявленных в процессе инструментальных наблюдений. Для этой же цели частично использовались результаты наблюдений на моделях.
Одновременно с методом предрасчета разрабатывался и совершенствовался метод аналогий. С этой целью в 1947-1948 гг. бригадой сотрудников под руководством Д.А. Казаковского было произведено обобщение материалов наблюдений по различным угольным месторождениям и бассейнам.
В результате проведенных работ Д.А. Казаковским была предложена классификация угольных месторождений [25], являющаяся основой метода аналогий. Эта классификация была использована для составления Указаний по охране сооружений от вредного влияния горных разработок на месторождениях с неизученным характером сдвижения горных пород.
Классификация Д.А. Казаковского приспособлена главным образом к выбору углов сдвижения для расчета охранных целиков. В соответствии с этим в основу классификации положена однотипность месторождений по углам сдвижения в коренных породах. При анализе зависимости углов сдвижения ср от геологических и горноэксплутационных условий Дмитрий Антонович выявил определяющую роль физико-механических свойств горных пород. Таким образом, физико-механические свойства горных пород (крепость, степень сцементированности и т.д.) были положены в основу классификации как один из определяющих признаков. Что в свою очередь не совсем верно, поскольку практика горного дела показала, что для блочно-слоистого массива горных пород, каким является этот массив на большинстве месторождений, являются структура и строение массива, которые в классификации Д.А. Казаковского не учитываются.
Еще одним недостатком является то, что классификация базируется на одном показателе – прочности пород, в то время как геомеханическое состояние массива определяется, прежде всего, отношением нагрузки на горную породу к ее прочности. При одной и той же прочности пород это отношение, в зависимости от глубины, может меняться в несколько раз, что необходимо учитывать, особенно при современных глубинах разработки месторождений полезных ископаемых
Углы сдвижения, приведенные в данной классификации, были обоснованны наблюдениями на типичных месторождениях и для существующих глубин того времени. Тогда как сейчас глубины разработки месторождений значительно увеличились.
Отметим, что наряду с началом развития натурных инструментальных наблюдений, связанных с горным давлением и сдвижением горных пород, а также началом развития теории горного давления с использованием методов-теорий упругости и сопротивления материалов, были широко развернуты лабораторные исследования деформационно-прочностных свойств горных пород с учетом основного минералогического состава, степени метаморфизма, трещиноватости, влажности, выветриваемости.
В 1940-е годы получили широкое развитие натурные наблюдения за сдвижением горных пород при разработке пологих, наклонных и крутопадающих пластов. В 1948 г. были начаты исследования горного давления на моделях из эквивалентных материалов. Основные положения метода моделирования были разработаны Г.Н. Кузнецовым [39]. Позднее им была выдвинута гипотеза шарнирно-блочного механизма оседания основной кровли очистных выработок. В этот же период для измерения деформаций и напряжений в натурных условиях стали использоваться тензометрические датчики, в частности, при измерении деформаций на торце обуреваемого керна, динамометры, струнные датчики. Были разработаны первые геофоны для сейсмоакустической оценки напряженного состояния горных пород.
Исходя из гипотезы консольных балок, профессор В.Д. Слесарев [70] предложил ряд формул для расчета предельных пролетов кровли на трех стадиях ее обнажения и формулы расчета давления на крепь очистного забоя. На первой стадии предельного пролета используется изгиб балки с "внецентренным" сжатием, свободно опертой или защемленной по концам, на второй стадии предельный пролет определяется максимумом прогиба балки без разрыва в нижней части, третье предельное состояние - трещина разрыва прорастает на всю толщину балки.
В отличие от гипотез Г.Н. Кузнецова и В.Д. Слесарева профессор П.М. Цимбаревич [79] сформулировал гипотезу сдвига блоков или гипотезу сдвига призм обрушения слабых пород для очистных выработок на сравнительно небольшой глубине.
За рубежом в 1947-1951 гг. бельгийский ученый А. Лабасс [89], следуя Р. Феннеру, сформулировал применительно к очистным выработкам свою гипотезу "предельного растрескивания" согласно которой, непосредственная и частично основная кровля при переходе из зоны опорного давления в зону разгрузки по мере перемещения забоя подвергается интенсивному растрескиванию. Это связано с большой разницей между главными напряжениями. Он предлагает использовать для поддержания кровли податливую крепь, но с весьма высоким сопротивлением, чтобы непосредственно уменьшить расслоение кровли.
К этому времени относится основополагающая работа В.В. Соколовского "Плоское предельное равновесие горных пород". Эта и последующие его работы по механике сыпучих сред и теории пластичности [72] сыграли весьма большую роль при решении проблем устойчивости бортов и уступов карьеров. Используя эти работы, Г.Л. Фисенко в 1950-1970-х годах предложил ряд расчетных методов, которые стали широко использоваться при открытой разработке месторождений [77;78].
Значительное влияние на развитие аналитических методов в геомеханике применительно к горным проблемам оказали работы Д.И. Шермана [81], С.Г. Михлина [49], С.Г. Лехницкого [47]. Схематизируя горные выработки эллиптическими и щелевыми вырезами, они дают точные решения поставленных задач, что позволяет провести детальный анализ полей напряжений в идеализированной постановке задачи. Д.И. Шерман разработал метод расчета напряжений около двух сближенных эллиптических выработок большой протяженности на достаточно большой глубине.
И.В. Родин [65] и Г.Н. Савин [69] положили начало использованию аналитических методов в решении задач о взаимодействии крепи с породами горной выработки кругового сечения. Крепь рассматривается как упругое кольцо, вставленное в круговой вырез. Из решения этой контактной задачи Г.Н. Савин получает расчетные формулы давления на крепь. Позднее этот вопрос с учетом упругопластических деформаций применительно к вертикальному стволу с крепью рассмотрел профессор Ф.А. Белаенко [8]. В дальнейшем развитие этих методов с широким использованием в горной практике связано со многими учеными и в первую очередь с Н.С. Булычевым и Н.Н. Фотиевой [11].
М.А. Иофисом [13] внесен большой вклад в изучении областей и зон сдвижения горных пород над и под очистными выработками. В частности, им было доказано, что под влиянием горных работ в слоистом массиве горных пород образуется несколько зон, отличающихся по характеру и степени деформирования пород. Количество этих зон зависит от горно-геологического и горно-технических условий разработки месторождения, сложности решаемых задач, степени изученности деформационных процессов и других факторов. М.А. Иофис выделяет в массиве три области и 16 зон (в условиях крутых пластов 17 зон), имеющих свои, только им присущие особенности.
На всех этапах своего развития геомеханика и маркшейдерия получали мощные импульсы со стороны органов, контролирующих состояние безопасности горных работ и жизнедеятельности населения.
Подобного рода проблемы возникли еще в средние века, когда при добыче полезных ископаемых приходилось определять устойчивость пространств, образующихся в результате их извлечения из недр, и вести горные работы с учетом близости ранее выработанных участков и горизонтов, под зданиями, сооружениями и водоемами, вблизи шахтных стволов и шурфов и т.д. Вначале многое решалось на основе передаваемого из поколения в поколение практического опыта рудокопов, предполагающего главным образом визуальные наблюдения за поведением горных пород и развитую интуицию.
Однако со временем этого оказалось недостаточно. Так, еще в первой половине XIX в. в Бельгии и Франции возникла острая полемика между горной инспекцией и рудничными инженерами после того, как во многих домах в районе горных работ в пригороде Льежа появились громадные трещины. Позднее, в середине 50-х годов того же столетия, подобная угрожающая ситуация сложилась и в некоторых горно-промышленных городах Германии. Для предотвращения конфликтов правительства разных стран были вынуждены издавать постановления, регламентирующие процессы извлечения полезных ископаемых из недр.
В нашей стране изучение сдвижения горных пород на плановой основе, как важный элемент управления горными работами, началось практически только в 30-е годы двадцатого столетия. Первые систематические инструментальные наблюдения организовал профессор И.М. Бахурин в 1929 г. Для проведения и анализа этих наблюдений были созданы два отряда, которые объединились в 1932 г. в Центральное научно-исследовательское маркшейдерское бюро (ЦНИМБ), преобразованное позже (в послевоенные годы) во Всесоюзный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела (ВНИМИ). Наблюдения вели на единой методической основе и с каждым годом их совершенствовали и расширяли. В настоящее время они проводятся почти во всех угольных и горнорудных бассейнах страны.
В 1939 г. Государственной главной горно-технической инспекцией были утверждены "Правила охраны сооружений от вредного влияния подземных горных разработок в Донецком и Подмосковном угольных бассейнах", составленные полностью на основе непосредственных наблюдений. В этих Правилах все сооружения и природные объекты по степени их значения и характеру последствий, вызываемых их деформацией, разделяются на три категории охраны в Донецком бассейне и две категории - в Подмосковном. Углы сдвижения в Донбассе задаются в зависимости от угла падения пластов. В Подмосковном бассейне - в зависимости от категории охраны объектов.
В 1949 г. выпущены «Изменения и дополнения» к Правилам, в которых нашли отражение результаты исследований по определению допустимых деформаций для основных видов существовавших тогда зданий я сооружений.
В 1960 г. разработаны и изданы новые Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок в Донецком угольном бассейне", при составлении которых использован весь материал, накопленный в то время исследовательскими работами ВНИМИ, и богатейший производственный опыт выемки угля под различными сооружениями, а также учтен опыт практического использования ранее действовавших Правил. Согласно этим Правилам, меры охраны сооружений и природных объектов принимают в зависимости от категории их охраны, конструктивных особенностей, протяженности, высоты, характера эксплуатации объектов, глубины, мощности и угла падения пласта. При этом все сооружения и объекты делят на семь категорий охраны и для каждой из них устанавливается своя безопасная глубина. Под безопасной глубиной понимается такая глубина, при которой и ниже горные разработки не могут вызвать в подрабатываемых объектах разрушительных деформаций, влекущих за собой прекращение эксплуатации, опасность для жизни работающих и живущих в охраняемых зданиях и сооружениях.
Аналогичные нормативные документы были составлены в этот период и для других бассейнов и месторождений. В этих документах безопасную глубину разработки устанавливали только для одного пласта. Вопрос определения условий ведения горных работ под сооружениями и природными объектами в свите пластов оставался в то время нерешенным. Поэтому основное внимание при проведении дальнейших исследований уделялось изучению влияния на подрабатываемые территории горных работ в свите пластов. Для установления закономерностей накопления (суммирования) деформаций при отработке нескольких пластов во всех угольных бассейнах страны по специальной методике были заложены долговременные наблюдательные станции и проведены высокоточные инструментальные наблюдения. По результатам этих наблюдений была разработана методика расчета деформаций земной поверхности, по ней изучали взаимосвязь деформаций грунта с подрабатываемыми объектами и устанавливали значения допустимых деформаций для различных категорий сооружений.
На основания проведенных исследований впервые в мире были составлены бассейновые Правила охраны сооружений, основанные не на эмпирических зависимостях, а на строгих инженерных методах расчета.
В течение 10 лет (1969-1981 гг.) интенсивную отработку запасов под застроенными территориями и природными объектами проводили по нормам новых Правил, построенных на современных прогрессивных принципах. Особенно большой опыт подработки различных объектов накоплен в Донецком бассейне, где за это время извлечено под зданиями, сооружениями и водоемами около 500 млн. т. угля и изучено влияние горных работ на нескольких десятках тысяч объектов. Такая широкая апробация в промышленных условиях новых технических решений была проведена впервые в мире.
В 1981 г. ставится вопрос о создании единых Правил охраны сооружений для всех угольных и сланцевых месторождений. Реальность и практическая целесообразность этого предложения вполне очевидны. Имеющиеся в то время многочисленные фактические данные позволили все месторождения объединить в ряд типов по признаку проявления сдвижений, применительно к которым и могут быть заданы интересующие нас параметры сдвижения горных пород.
В 1998 г. международным научным центром ВНИМИ были разработаны Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на угольных месторождениях. Данные Правила базировались на результатах наблюдений, обобщения опыта ведения горных работ под зданиями, сооружениями и природными объектами, лабораторных и аналитических исследований процесса сдвижения горных пород и земной поверхности. На сегодняшний день данные правила используются горными предприятиями, проектными и научно-исследовательскими организациями угольной промышленности.
Накопленный опыт показал, что нормы, способы и принципы, заложенные в бассейновых Правилах, в основном себя оправдали, их можно использовать при составлении Правил, единых для всех бассейнов. Обобщение результатов исследований позволило составить такие Правила и в декабре 1979 г. утвердить их в Минуглепроме СССР и в Госгортехнадзоре СССР. Но в данных Правилах охраны очень в узком диапазоне рассмотрены правила для месторождений с неизученным или недостаточно изученным характером сдвижения. Таким образом, данный вопрос является очень актуальным на сегодняшний день и требует детального изучения.
Подводя итог всему выше сказанному, можно сделать заключение, что природа геомеханических процессов, протекающих в массивах пород при разработке месторождений полезных ископаемых, достаточно давно изучается в нашей стране и за рубежом. К настоящему времени получены существенные результаты, позволяющие говорить о принципиальных механизмах и параметрах геомеханических явлений, происходящих в массиве пород. Также накоплен огромный опыт проведения горных работ в самых разнообразных горно-геологических условиях. В результате полученных данных было разработано большое количество различных нормативных документов, как имеющих статус государственных документов, так и различного ведомственного уровня. Использование этих документов позволяют решать вопросы регулирования состояния массива пород.
При этом основными методами защиты объектов от вредного влияния горных разработок в этих «Правилах...», как и в предыдущих документах, оставались предохранительные целики различного назначения. Однако, в современных условиях эта мера охраны совершенно недопустима, так как размеры целиков растут пропорционально квадрату глубины горных работ, при этом стоимость каждой тонны вскрытых и подготовленных к выемке запасов полезного ископаемого, оставляемых в целике, также увеличивается. Результатом является резкое повышение себестоимости добытого сырья.
Всё это говорит о том, что принятые в настоящее время методические подходы и нормативные документы зачастую приводят к техническим решениям, неадекватным конкретным горно-геологическим условиям. Это происходит вследствие недостаточного учёта основных особенностей массивов, а именно их строения, состояния.
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1
- Развитие методов оценки механических характеристик массивов осадочных пород на месторождениях с неизученным характером процесса сдвижения, включающих разработку классификаций критериев подобия месторождений, с учетом современных условий их освоения, является важной и актуальной задачей, поскольку все чаще приходится вовлекать в добычу месторождения, залегающие на больших глубинах и в сложных, недостаточно изученных, а иногда и совсем неизученных условиях.
- Анализ современного состояния и изученности проблемы показал, что большинство классификаций и способов, на которых базировались Правила охраны сооружений от вредного влияния горных разработок, имеют ряд недостатков, которые заключаются в том, что:
- большинство классификаций и способов составлены более полувека тому назад и сильно устарели.
- способ определения угла сдвижения составлялся в период, когда горные работы велись на малых глубинах, и основной мерой охраны подрабатываемых объектов было оставление предохранительных целиков, которая в настоящее время не допустима.
- способ определения угла сдвижения базируется на одном показателе – крепости пород, в то время как геомеханическое состояние массива определяется, прежде всего, отношением нагрузки на горную породу к ее прочности.
Из всего вышесказанного, вытекают следующие основные задачи, которые необходимо решить:
- Установить критерии подобия месторождений и составить их классификацию.
- Определить показатели, характеризующие состояние и строение массива горных пород.
- Установить зависимость угловых параметров сдвижения горных пород от основных влияющих факторов.
- Определить условия образования провалов на месторождениях-аналогах и разработать методы установления местоположения полостей в толще горных пород, вызывающих эти провалы.
- ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ С НЕИЗУЧЕННЫМ ХАРАКТЕРОМ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ
Угловые параметры являются важнейшими характеристиками процесса сдвижения. От точности их определения во многом зависит правильность выбора мер охраны объектов и сооружений, находящихся на земной поверхности, от вредного влияния горных разработок. Величины граничных углов и углов полных сдвижений определяют размеры полумульды, а следовательно, величины и распределение расчетных деформаций в мульде. По углам сдвижения, определяющим границу зоны опасных деформаций, строятся предохранительные целики под сооружениями на земной поверхности [13]. Названные угловые параметры широко используются в качестве исходных во многих методиках, применяемых для оценки геомеханического состояния горных пород и горных выработок на угольных месторождениях. [25].
В соответствии с этим, погрешности определения названных углов могут привести либо к неоправданно завышенным потерям в предохранительных целиках, либо к недооценке вредного влияния горных разработок на охраняемые объекты, как на поверхности, так и в подрабатываемом массиве горных пород.
Исследованию угловых параметров процесса сдвижения земной поверхности посвящены работы многих ученых. Этот факт является подтверждением актуальности поставленной задачи. Наиболее известны исследования Д.А. Казаковского, Р.А.Муллера, Н.Ф. Шалагинова, М.А. Иофиса, С.П. Колбенкова, А.В.Онищенко, А.Н. Медянцева, В.А. Назаренко и др. В частности, Д.А. Казаковский [25; 26] установил зависимость углов сдвижений от глубины горных работ, А.Н. Медянцев и М.А. Иофис на основании анализа результатов наблюдений [22] на 60 наблюдательных станциях доказали зависимость углов сдвижения от вынимаемой мощности и глубины горных работ. А.В. Онищенко и В.А. Назаренко установили значения угловых параметров для условий шахт Западного Донбасса. Общий анализ публикаций по вопросам определения границ мульды сдвижения указывает на отсутствие единого мнения среди исследователей о зависимости угловых параметров от горно-геологических условий разработки месторождений. В связи с этим нами поставлена задача, уточнить угловые параметры процесса сдвижения горных пород и земной поверхности.
- Основные понятия и угловые параметры процесса сдвижения горных пород и земной поверхности
Процесс сдвижения толщи горных пород и земной поверхности характеризуется следующими параметрами: размерами и формой мульды сдвижения; величиной углов граничных, сдвижения, разрывов, полной подработки; величинами векторов сдвижения, их составляющих (оседания и горизонтального сдвижения), деформациями в мульде сдвижения; общей продолжительностью процесса сдвижения, его отдельных стадий и скоростью оседаний [13].
Мульда сдвижения. При выемке части пласта «абгв» на значительной глубине (рис. 2.1, а) процесс сдвижения толщи горных пород достигает земной поверхности, вызывая ее сдвижения и деформацию. Часть земной поверхности «АГБВ», подвергшаяся сдвижениям и деформациям, называется мульдой сдвижения. В мульде сдвижения принято выделить два главных сечения, проходящих через точку максимального оседания по простиранию (линия АБ) и вкрест простирания пласта (линия ВГ). В этих сечениях параметры процесса сдвижения после его затухания достигают максимальных значений, а векторы смещения точек мульды и их составляющие примерно совпадают с этими плоскостями.
б)
Рис. 2.1Мульда сдвижения и ее разрезы:
а – при выемке наклонного пласта; б – при выемке горизонтального пласта; 1 – граница опасных сдвижений; 2 – граница мульды сдвижения; 3 – выработанная площадь
В плавной мульде сдвижения различают ее края (АЕ и БК) и дно КЕ. Мульда сдвижения может иметь как вогнутое дно КЕ (рис. 2.1, а), так и плоское ЕК (рис. 2.1, б).
Если размеры выработанного пространства на разрезах по простиранию или по падению пласта значительно превышают глубину разработки, то мульда сдвижения имеет плоское дно. Такой случай подработки принято называть полной подработкой.
Форма и размеры мульды сдвижения, а также ее расположение относительно выработанного пространства зависят от мощности пласта, угла наклона пласта, размеров выработанного пространства и глубины его залегания.
Остановимся подробнее на угловых параметрах процесса сдвижения горных пород и земной поверхности. К угловым параметрам процесса сдвижения относятся:
- углы сдвижения;
- граничные углы;
- углы разрывов;
- углы полных сдвижений;
- угол максимального оседания;
Граничные углы 0, 01, 0 и 0 – это внешние относительно выработанного пространства углы на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения, образованные горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы выработанного пространства с граничными точками мульды сдвижения. Граничными точками мульды сдвижения принимаются точки, за пределами которых в сторону неотработанной части пласта растяжения и наклоны не превышают величины 0,4·10-3 [13].
Рис. 2.2 Схема расположения угловых параметров при крутом падении пласта
С помощью граничных углов 0, 0 определяют размеры мульды сдвижения на разрезе по падению пласта, а с помощью угла 0 – по простиранию пласта (рис. 2.1, а). Угол 0 ограничивает зону сдвижения у нижней границы выработанного пространства в породах кровли, угол 01 – у нижней границы, но в породах почвы при крутом падении (рис. 2.2), угол 0 – у верхней границы выработанного пространства. Граничные углы используются также при построении целиков под глубокие вертикальные стволы.
В мульде сдвижения принято выделять зону опасных сдвижений. На разрезе вкрест простирания опасную зону сдвижения выделяют с помощью углов сдвижения, 1 и, на разрезе по простиранию – с помощью угла.
Углы сдвижения, 1, и – внешние относительно выработанного пространства углы, образованные горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы выработки с точками мульды сдвижения, за пределами которых (в сторону неотработанных частей пласта) величины деформаций не достигают опасных для ответственных зданий. Опасными, или критическими, величинами деформаций принято считать: для наклонов 4·10-3, растяжений (сжатий) 2·10-3, кривизны 0,2-10-3 1/м [23; 24].
Углы сдвижения при построениях отсчитывают от горизонтальной линии со стороны неотработанной части пласта в сторону выработанного пространства; и откладывают: – у нижней границы очистной выемки в породах кровли пласта, 1 – у нижней границы очистной выработки в породах почвы пласта в условиях крутого падения, когда > п (где п – предельное значение угла наклона, при котором возникает сползание пород почвы пласта), – у верхней границы очистной выемки и – по простиранию пласта. Углы сдвижения используются также для построения предохранительных целиков. Угол является интегральным показателем прочностных свойств горных пород, строения и состояния массива горных пород. Поэтому многими исследователями используется для классификации месторождений с неизученным характером процесса сдвижения, в том числе для классификации Д.А. Казаковского.
Значения граничных углов и углов сдвижения зависят от свойств горных пород и определяются опытным путем. При отсутствии опытных данных значения граничных углов и углов сдвижения определяются по табл. 2.1. Углы разрывов принимаются на 10° круче углов сдвижения при f 1,5 и на 5° круче при f > 1,5.
Таблица 2.1
Значения граничных углов 0 и углов сдвижения в зависимости от коэффициентов крепости пород f
| Значения коэффициента f | Значения углов, град | ||
| Среднее | Предел изменения | 0 | |
| 0,1 | До 0,3 | 40 | 45 |
| 0,5 | 0,3-0,7 | 45 | 55 |
| 1,0 | 0,7-1,2 | 50 | 60 |
| 1,5 | 1,2-2,0 | 55 | 65 |
| 2,5 | 2,0-3,5 | 60 | 70 |
| 4,0 | 3,5-4,5 | 65 | 75 |
| 5,0 | 4,5-6,0 | 70 | 80 |
При незначительных глубинах горных пород, большой мощности вынимаемых пластов крутого залегания в мульде сдвижения образуются провалы, террасы, трещины, составляющие зону обрушения. Границы зоны обрушения определяются с помощью углов разрывов ", 1", " и ". Углы разрывов, так же как и углы сдвижения, – внешние относительно выработанного пространства углы, образованные горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы очистной выработки на разрезах вкрест простирания и по простиранию пласта с крайними трещинами на краях мульды сдвижения.
Углы разрывов строят у границ выработок аналогично построению углов сдвижения. Углы разрывов используют также для построения предохранительных целиков под водоемы.
Кроме перечисленных трех углов (граничных, сдвижения и разрывов) для определения местоположения характерных точек в главных сечениях мульды пользуются еще углами, 1, 2, 3. Угол определяет на разрезах при неполной подработке земной поверхности точку в мульде с максимальным оседанием. На рис. 2.1, (а), (б) показано получение таких точек по главным сечениям мульды, для чего из середины очистных выработок отложены величины углов от линии горизонта (на разрезе вкрест простирания со стороны падения пласта) и проведены линии до пересечения с линией земной поверхности – точки «о».
1, 2, 3 – углы полной подработки (полных сдвижений) – это внутренние относительно выработанного пространства углы, образованные линиями, соединяющими границы плоского дна мульды с границами очистной выработки и плоскостью пласта в главных сечениях мульды. С помощью углов 1, 2 определяют размер плоского дна мульды на разрезе по падению пласта. При этом угол 1 откладывается у нижней границы очистной выработки, 1 – у верхней, а с помощью угла 3 – на разрезе по простиранию пласта. Если линии, проведенные под углами 1, 2 на разрезе по падению и 3 на разрезе по простиранию, пересекутся ниже земной поверхности, то в мульде будет отсутствовать плоское дно.
Величины рассмотренных нами углов, зависят главным образом от угла наклона пласта, физико-механических свойств горных пород и ранее проведенных горных работ (подработанности толщи). Значения угловых параметров для различных угольных бассейнов страны, полученные инструментальными наблюдениями, приводятся в «Правилах охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях» [58] и «Справочнике по маркшейдерскому делу». Но как было отмечено выше, на данное время не существует единого мнения среди исследователей о зависимости угловых параметров от горно-геологических условий разработки месторождений. В связи с этим нами поставлена задача уточнения угловых параметров процесса сдвижения горных пород и земной поверхности.
- Определение величины угла сдвижения земной поверхности на месторождениях с неизученным характером процесса сдвижения
Для современного этапа развития горнодобывающих отраслей промышленности характерно вовлечение в разработку месторождений со сложными горно-геологическими условиями, увеличение глубины и повышение интенсивности ведения горных работ на действующих рудниках. Возрастают масштабы воздействия горных работ на окружающую среду, увеличиваются размеры участков массива и земной поверхности, подверженных процессам сдвижения, в зоне подработки оказываются многие ответственные объекты [13]. Все это приводит к повышению актуальности проблем, связанных с охраной зданий и сооружений от вредного влияния горных выработок, прогнозом напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, охраной зданий, инженерных сооружений и природных объектов от вредного влияния горных работ. Для месторождений с неизученными процессами сдвижения, параметры процесса сдвижения, необходимые для определения зон опасного влияния подземных разработок, для выбора метода построения предохранительных целиков и для определения границ мульды сдвижения при расчете ожидаемых величин сдвижений и деформаций земной поверхности принимаются соответственно равными указанным параметрам на месторождении- аналоге.
Выбор месторождения- аналога производится на основании крепости пород, величины угла сдвижения и общего геологического строения пород. Остановимся подробнее на определении угла сдвижения, поскольку в проблеме защиты сооружений от вредного влияния горных выработок углы сдвижения занимают важное место. Величины углов регламентируются правилами охраны сооружений, которые в настоящее время наиболее полно разработаны для угольных бассейнов страны. Но в большинстве правил не учитывается влияние на углы сдвижения таких важных факторов, как глубина горных работ, мощность пласта, структура, строение и состояние массива горных пород.
Глубина горных работ оказывает существенное влияние на деформации земной поверхности, характер и степень проявления горного давления в толще. С увеличением глубины разработки все виды деформаций земной поверхности уменьшаются. Особенно чувствительна к этому фактору кривизна сглаженной мульды сдвижения: она обратно пропорциональна квадрату глубины разработки. Горное давление, наоборот, с увеличением глубины разработки повышается, концентрация деформаций и напряжений на отдельных участках становится более опасной [3].
Механические свойства и структурные особенности горных пород оказывают влияние на все параметры и показатели процесса сдвижения. Наиболее тесная зависимость от этого фактора прослеживается в значениях углов сдвижения, полученных при различных свойствах горных пород. На основании указанной зависимости проф. Д. А. Казаковский составил классификацию месторождений, используя прочностные свойства пород в качестве основного определяющего признака [25]. Эта классификация представлена в табличной форме. Графически ее можно изобразить в виде, представленном на рис. 2.3
Рис.2.3 Зависимость угла сдвижения от прочности горных пород
Данную зависимость (рис.2.3) аналитически можно аппроксимировать выражением вида:
при 
(2.1)
где: f – коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову
– угол сдвижений, [0];
При детальном исследовании влияния различных факторов на угол сдвижения, которые подробно были рассмотрены в [56; 33; 73; 5; 21; 74; 25; 22] было установлено, что на угол сдвижения оказывают влияние такие факторы, как состояние массива горных пород, а именно геомеханическое состояние массива, которое определяется, прежде всего, отношением нагрузки на горную породу к ее прочности [73]. Вторым фактором, оказывающим влияние на угол сдвижения, является размер очистной выработки, который учитывается через соотношение D/H [33; 72; 5; 21; 74 и др.]. И наконец, третьим фактором, оказывающим влияние на угол сдвижения, который был исследован А.Н. Медянцевым и М.А. Иофисом в работе [22], является отношение глубины горных работ к мощности пласта. Все вышеперечисленные факторы использовались для определения угла сдвижения отдельно друг от друга, хотя каждый из них вносит определенный процент влияния на угол сдвижения и не может быть рассмотрен обособленно друг от друга. Остановимся, подробно на каждом из них.
Согласно Указаниям …[75] при горизонтальном залегании отрабатываемых пластов угол сдвижения определяется в зависимости от степени нагружения междукамерных целиков, т.е. геомеханическое состояние массива определяется, прежде всего, отношением нагрузки на горную породу к ее прочности.
(2.2)
где: сж – предел прочности на одноосное сжатие, [т/м2];
– Объемный вес, [т/м3];
Н – глубина залегания горных пород, [м];
При одной и той же прочности пород это отношение, в зависимости от глубины, может меняться в несколько раз, что необходимо учитывать, особенно при современных глубинах разработки месторождений полезных ископаемых.
Глубина ведения очистных горных работ является одним из наиболее основных факторов, оказывающих влияние на процесс сдвижения земной поверхности. Она влияет на размеры мульды сдвижения, а так же на величины и распределение сдвижений и деформаций поверхности. На рис. 2.4 видно, что при полной подработке земной поверхности длины полумульды зависят от углов 0 и 3
L3 = H1 (ctg0 + ctg3); (2.3)
Рис.2.4 Зависимость параметров мульды сдвижения от глубины при полной подработке земной поверхности
Если принять величину (ctg 0 + ctg 3) постоянной, тогда очевидно, что длина полумульды L прямо пропорциональна глубине разработки Н. Размеры выработанного пространства оказывают влияние на величины и распределение сдвижений и деформаций в мульде. Влияние размеров очистной выработки учитывается через соотношение D/H. На существование такой зависимости указывают очень многие исследователи [33,72,5,21,74 и др.]. Более того, отношение D/Н определяет величины оседаний земной поверхности и в нормативной методике [58].
Еще одним фактором, влияющим на угол сдвижения, является вынимаемая мощность пласта. Установлено, что максимальные значения оседания, деформаций и скоростей сдвижения находятся в прямой пропорциональной зависимости от вынимаемой мощности пласта (залежи). Угол сдвижения также зависит от вынимаемой мощности, при увеличении вынимаемой мощности углы сдвижения несколько выполаживаются.
В работе [22] А.Н. Медянцевым и М.А. Иофисом выведена зависимость влияние на углы сдвижения таких важных факторов, как мощность пласта и глубина горных работ рис.2.5
Рис. 2.5 График определения углов сдвижения по кривым наклонов мульды сдвижения.
В результате различных тригонометрических преобразований и анализа данных, полученных на 10 наблюдательных станциях в Донбассе, авторами была выведена эмпирическая зависимость для определения величин углов сдвижения (2.4)
(2.4)
где: m– мощность пласта, [м];
Н – глубина залегания горных пород, [м].
Из данного выражения был сделан важный вывод, что углы сдвижения являются функцией отношения глубины горных работ к мощности пласта (кратности) и пропорциональны корню квадратному из этого соотношения.
В таблице 1.2 приведены углы сдвижения, полученные по данным натурных наблюдений на шестнадцати месторождениях [25; 26; 58].
В этой же таблице приведены значения углов сдвижения определенных по способу Д.А. Казаковского.
| ,0 | сж, т/м^2 | , т/м^3 | m, м | H, м | D, м | f 0,5 | (/H)0,5 | (D/H)0,5 | (H/m)0,5 | |
| Донецкий | 80 | 5600 | 1,4 | 1 | 285 | 220 | 2,4 | 3,7 | 0,9 | 16,9 |
| Кузнецкий | 70 | 3100 | 2,5 | 2,2 | 100 | 100 | 1,8 | 3,5 | 1,0 | 6,7 |
| Карагандинcкий | 72 | 2800 | 2,7 | 1,3 | 60 | 200 | 1,7 | 4,2 | 1,8 | 6,8 |
| Кизеловский | 82 | 5200 | 1,6 | 1 | 56 | 72 | 2,3 | 7,6 | 1,1 | 7,5 |
