Закономерности развития процессов сдвижения горных пород.

Под сдвижением горных пород понимается деформирование и перемещение их под влиянием горных работ или происходящих естественных процессов (действия тектонических сил, выщелачивания, водопонижения, изменения свойств пород).

В результате горных работ вначале наблюдаются сдвижения нижней части подрабатываемых пород (кровли камер, заходок, лав). По мере увеличения площади подработки в процесс сдвижения вовлекается не только непосредственная кровля, но и расположенные выше породы. Наблюдается сдвиг пород по плоскостям расслоения и пересекающим массив трещинам. В результате над выработанным пространством образуется зона разрыхленных пород, объём которых больше первоначального. Поэтому при определенной высоте разрыхления пород происходит подпор вышележащей толщи. Под воздействием собственного веса подработанные породы испытывают растягивающие напряжения (особенно в средней части пролета).

Часть породного массива, подвергшуюся сдвижению под влиянием горных разработок, принято называть областью сдвижения горных пород, а соответствующую часть земной поверхности — мульдой сдвижения. В мульде сдвижения различают полумульду сдвижения по падению пласта L₁ и полумульду сдвижения по восстанию пласта L₂.

Сдвижения точек земной поверхности могут иметь разные значения и направления. Принято вертикальную составляющую вектора перемещения точки поверхности называть оседанием и обозначать h. Соответственно горизонтальные составляющие называют горизонтальными сдвижениями и обозначают x (в направлении вкрест простирания) и z, (по направлению простирания).

Вертикальные сечения мульды по простиранию и вкрест простирания пласта, проходящие через точки с максимальным оседанием земной поверхности, называют главными сечениями мульды сдвижения (рис.8.2).

Рис. 8.2. Главные сечения мульды сдвижения вкрест простирания (а, в) и по простиранию (б, г) при неполной (а, б) и полной подработке (в, г).

1-полезное ископаемое; 2- выработанное пространство; 3- земная поверхность до подработки; 4-мульда сдвижения; 5 участок с “плоским дном”.

 

Границы мульды сдвижения определяются граничными углами. Это внешние, относительно выработанного пространства, углы, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды горизонтальной линией и линиями, соединяющими границы выработанного пространства с граничными точками области сдвижения (в качестве которых принимают обычно точки, получившие оседания 10—15 мм). Различают граничные углы по простиранию d_о, по падению b_о и по восстанию g_о пласта или залежи.

Углы, образованные горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы горных работ и внешние границы зоны опасных деформаций, носят название углов сдвижения. Определяют их так же, как и граничные углы (на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения). Подобно граничным углам они обозначаются соответственно d - по простиранию; b - по падению и g - по восстанию залежи. Различают углы сдвижения в коренных породах (d, b и g) и в наносах (j).

Выделяют также углы разрывов (d¢, b¢, g¢) — внешние, относительно выработанного пространства, углы, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границу выработки с наиболее удаленной от центра мульды сдвижения трещиной. Углы разрывов обычно на 5—10° круче углов сдвижения, но не более 90°.

 

Углы сдвижения и разрывов пород при полной подработке

Таблица 8.1.

Коэффициент крепости пород f	Угол падения пород αп или рудного тела αр.т., градус	Углы сдвижения и разрыва пород, градус
β	γ	β1	δ
Слоистое строение пород (осадочные породы)
<5	0-30	55-45		-
31-45	45-40		-
46-60		-	(αп – 5)*
61-80	40-45	-
81-90	45-50	-
>5	0-30	60-50	55+1.5f	-	55+1.5f
31-45	50-45	55+1.5f	-	55+1.5f
46-60	45-40	-	-	55+1.5f
61-80		-	αп**	55+1.5f
81-90	40-35	-	60***	55+1.5f
Неслоистое строение пород
5-10	0-30			-
31-50			-
51-80		-	αр.т
81-90		-

*) Не более 50⁰;

**) Не более 65⁰;

***) При α_п > 80⁰, f_л.б. < f_в.б.

 

При определенном соотношении размеров выработанного пространства и глубины разработки в мульде сдвижения образуется плоское дно, т. е. участок с максимально возможными оседаниями при данной мощности и угле падения пласта (залежи). На этом участке сдвижения носят в основном равномерный характер. Условия, при которых в мульде сдвижения образуется плоское дно, принято называть полной подработкой земной поверхности (см. рис. 8.2 в,г).

Границы плоского дна определяются углами полной подработки - y₁, y₂, и y₃.

В условиях неполной подработки максимальное оседание наблюдается, строго говоря, в одной точке мульды сдвижения и обозначается h_max, а положение точки, имеющей максимальное оседание, определяется углом максимального оседания q.

При полной подработке значения максимальных оседаний характерны для множества точек плоского дна, они обозначаются h_0.

Неравномерность сдвижения горных пород вызывает деформации земной поверхности. Для характеристики деформаций используют следующие параметры:

а) Наклоны интервалов в мульде сдвижения i — отношения разности оседании двух точек мульды к расстоянию между ними, выраженные безразмерной величиной; при расчете деформаций наклон характеризует неравномерность распределения оседании в сечении мульды сдвижения.

б) Кривизна мульды сдвижения К_р — отношение разности наклонов двух соседних интервалов мульды к полусумме длин этих интервалов; кривизна характеризует неравномерность распределения наклонов в сечении мульды сдвижения.

в) Радиус кривизны мульды сдвижения — величина, обратная кривизне мульды сдвижения, выраженная в метрах R_Kр = 1/К_р;

г) относительные горизонтальные деформации в мульде сдвижения e — отношения разности горизонтальных сдвижений двух точек мульды к расстоянию между ними, выраженные безразмерной величиной. При растяжении e считается положительным, при сжатии - отрицательным. Горизонтальные деформации характеризуют неравномерность горизонтальных сдвижений в мульде сдвижения.

В мульде сдвижения выделяют зону опасных деформаций, за пределами которой деформации не превышают следующих критических значений:

наклоны мульды сдвижения i = 4 10^-3;

кривизна K_p = 2 10^-4 м^-1;

горизонтальные деформации (растяжение) e = 2 10^-3.

Период, в течение которого земная поверхность над выработанным пространством находится в состоянии сдвижения, принято называть общей продолжительностью процесса сдвижения.

Из общей продолжительности процесса сдвижения обычно выделяют период опасных деформаций, т. е. период, в течение которого наиболее вероятно появление повреждений в подрабатываемых объектах. Нередко его связывают со скоростью оседаний земной поверхности. Так, в ряде нормативных документов под периодом опасных деформаций понимают промежуток времени, в течение которого земная поверхность оседает со скоростью не менее 50 мм в месяц при пологом и наклонном залегании пластов или рудных тел и не менее 30 мм в месяц в условиях крутого залегания.

Для конкретных условий каких-либо месторождений в общей области сдвижения горных пород и общей зоне сдвижения земной поверхности по особенностям характера сдвижения массива пород могут быть выделены частные области и зоны.

Например, для условий Хибинских апатито-нефелиновых рудников, являющихся типичным примером применения систем с обрушением, выделяются (рис. 8.3):

Рис.8.3. Области и зоны различного деформирования массива и земной поверхности в условиях Хибинских

апатитовых рудников.

 

Зона обрушения (1). Область, в которой породы в результате отрыва от массива и беспорядочного движения превращены в несвязную массу с коэффициентом разрыхления более 1.3; в результате выпуска руды из эксплуатируемых блоков в области обрушения образуются воронки и провалы.

Зона сдвигов или террас (2). Область, в которой деформации сопровождаются сдвигом и оседанием крупных блоков с образованием террас на земной поверхности. Внешней границей зоны террас является контур крайних трещин с раскрытием и высотой уступа более 0.25 м.

Зона трещин (3). Область, в которой деформации сопровождаются смещением пород с образованием трещин; при выходе на поверхность эта область образует зону трещин, внешней границей которой является контур крайних трещин.

Границы всех выделенных зон на апатитовых рудниках определяются с помощью угловых и линейных параметров.

К угловым параметрам относятся: угол сдвижения , угол разрыва и угол обрушения _.К линейным параметрам относятся: шаг обрушения l₀, высота стенки обрушения h₀, длина фронта подработки покрывающих пород по простиранию L.

 

Определяют параметры зон сдвижения и обрушения инструментальными или расчетными методами. Для инструментальных наблюдений оборудуют специальные наблюдательные станции на длительный или короткий срок в зависимости от поставленных конкретных задач.

Расчетные методы применяются для прогнозирования вредного влияния горных работ на подземные и поверхностные сооружения. При этом широко используются данные по сдвижению и обрушению пород на аналогичных месторождениях.