Повышенное горное давление это

Если разрабатываемый пласт залегает в свите пластов, из которых ранее был отработан один или несколько пластов и в них были оставлены целики или краевые части, то в разрабатываемом пласте возникают опасные зоны, которые называются зонами ПГД.

Неотработанный участок в вынутом пласте называется целиком, если ширина его меньше 2 l (l – ширина зоны опорного давления) и краевой частью, если ширина его более 2 l (рис. 12).

Причиной возникновения зон ПГД является опорное давление, возникающие в ранее отработанном пласте при оставлении целиков и краевых частей. Зоны влияние опорного давления распространяются вверх в породы кровли и вниз в породы почвы.

На участках разрабатываемых пластов, расположенных ниже и выше ранее отработанного пласта, оказавшихся в зонах влияние опорного давления, возникают зоны ПГД. Различают три зоны ПГД (рис. 12):

а) зону повышенной опасности (ЗПО), которая характеризуется резким снижением устойчивости пород кровли, динамическими явлениями, большим пучением почвы, отжимом угля в очистных выработках;

б) опасную зону (ОЗ), которая характеризуется снижением устойчивости нижних слоев кровли, вывалом пород в очистных забоях;

в) прогнозную зону (ПЗ), которая заметного влияния на лавы не оказывает, но на отдельных участках возможно ухудшение устойчивости пород кровли.

Дальность влияния ЗПО обозначается через N1, дальность влияния ОЗ через N2 и дальность влияния ПЗ через N3 (рис. 12).

Различают два взаимных положения линии подвигания очистного забоя в разрабатываемом пласте и направлением длинной оси целика (краевой части) в ранее отработанном пласте. Если направление длинной оси целика примерно перпендикулярно (с отклонением до 25°) направлению подвигания очистного забоя, то такой целик называется перпендикулярным (рис. 13 а).

Если направление целика примерно параллельно направлению подвигания забоя лавы в разрабатываемом пласте, то такой целик называется параллельным (рис. 13 б).

Границы зон ПГД определяются графически на вертикальных разрезах, перпендикулярных длинной оси целика (краевой части). Затем эти границы сносятся на план горных работ.

Для построения зон ПГД должны быть известны: глубина залегания (H) и мощность (m) ранее отработанного пласта, в котором оставлен целик; мощность междупластья по нормали к пласту (h); ширина целика (а); ширина зоны опорного давления (l); угол падения пласта (a).

Размеры зон ПГД определяются по дальности влияния N1, N2, N3и углам влияния, которые принимаются равными 60°.

Построение зон ПГД производится в следующей последовательности.

1. По глубине H и мощности пласта m по специальному графику (рис. 14) определяется ширина зоны опорного давления l.

2. По ширине целика а определяется к какому типу относится оставленный участок пласта в ранее отработанном пласте. Если а<2 l, то оставленный участок пласта является целиком, если а>2 l – краевой частью.

Определяем также каким является оставленный целик: параллельным или перпендикулярным. Положим целик параллельный.

3. Определяются по специальной номограмме дальности влияния целика (краевой части) N1, N2, N3 по нормали к пласту в зависимости от того, где находится разрабатываемый пласт относительно ранее отработанного пласта, в котором оставлен целик: под целиком или над целиком. Номограммы составлены отдельно для условий под целиком и условий над целиком (рис. 15). На каждой номограмме приведены три пары графиков: первая пара для определения N1, вторая пара для определения N2 и третья для определения N3. В каждой паре один график относится к перпендикулярному целику, другой к параллельному целику. По горизонтальной оси номограмм откладывается отношение a/l, по вертикальной – отношение N/l. Таким образом, задавшись величиной a/l определяем N/l, а отсюда определяем и .

4. Строится вертикальный разрез перпендикулярно длинной оси целика. В нашем случае строим разрез в направлении падения пласта. На разрезе (рис. 16 а) показывается ранее отработанный пласт l6и оставленный в нем целик шириной а, показываются разрабатываемые пласты l4 и l8.

Для определения зоны ПГД в пласте l8, расположенном выше целика в пласте l6, откладываются по нормали расстояния N1, N2, N3 и проводятся линии параллельно пласту – это будут границы зон ЗПО, ОЗ и ПЗ. От краев целика (точки 1 и 2) проводятся линии под углом 60° к плоскости пласта до пересечения с границей зоны ЗПО –

получаем точки 3 и 4. Из этих точек проводим нормально к наслоению линии 3-5-7 и 4-6-8, которые являются боковыми границами зон ПГД. Согласно этим построениям пласт l8 оказался в зоне ОЗ и точки А и Б являются границами этой зоны. Эти границы сносим на план горных работ (рис. 16 б). Производим подобные построения в пласте l4, расположенном ниже целика. Этот пласт оказался в зоне ЗПО и границы этой зоны в точках В и Г. Эти границы также сносим на план горных работ.

Зоны ПГД являются опасными зонами. Целики в этих зонах не оставляются, но очистные работы в этих зонах необходимо вести с соблюдением особых мер безопасности. Маркшейдерская служба ставит заблаговременно об этом в известность начальника участка для принятия соответствующих мер.

1.9. Опасные зоны под водными объектам
на земной поверхности

При разработке пластов угля под водными объектами на земной поверхности (реки, озера, искусственные водоемы) необходимо обеспечить охрану горных выработок от затопления или увеличения притока воды в количестве, представляющем опасность для людей.

Для предотвращения этих негативных процессов в разрабатываемом пласте строятся зоны опасного влияния водных объектов.

Под зоной опасного влияния водного объекта понимают участок пласта, в пределах которого выемка угля может повлечь за собой недопустимый приток воды в горные выработки, а в отдельных случаях – прорыв воды и затопление выработок.

Границы зоны влияния водного объекта определяются по углам разрыва , и на вертикальных разрезах вкрест простирания и по простиранию (рис. 17). При этом за границу водного объекта на поверхности принимается граница максимального разлива воды во время паводка (точки А, Б, В и Г на рис. 17).

Выемка угля в зонах опасного влияния водного объекта допускается только тогда, когда пласт залегает ниже безопасной глубины разработки (Нб). Под безопасной глубиной разработки под водными объектами понимается такая глубина, при которой зона водопроводящих трещин над выработанным пространством не достигает дна водного объекта.

При определении безопасной глубины все водные объекты делятся на две группы.

К первой группе относятся водные объекты, у которых мощность глин и суглинков в основании водного объекта более глубины водоема (h2– мощность глин и суглинков, l – глубина водоема).

Ко второй группе относятся все остальные водоемы.

Согласно Правилам охраны сооружений для водных объектов первой группы безопасная глубина колеблется от 20 m до 40 m, где m – мощность пласта (более детальные значения Нб приведены в табл. 6.1 Правил охраны сооружений). Для водных объектов второй группы Нб колеблется от 30 m до 60 m.

Горные работы ниже Нб можно производить, но с соблюдением ряда условий:

а) систематическое наблюдение за водопритоком в выработки;

б) улучшение освещения горных выработок и обеспечение надежными средствами связи;

в) инструктаж лиц, работающих в опасной зоне о срочных мерах, надлежащих выполнению в случае резкого увеличения притока воды;

г) своевременная очистка водосточных канав.

Общие сведения. Причиной проявления горного давления при проведении выработок является напряженное состояние пород в земной коре.
Для выявления картины возникновения напряжений и их величины выделим мысленно из идеального упругого породного массива на некоторой глубине H от земной поверхности кубик породы с площадью грани, равной 1 см2 (рис. 108,а). От веса породного столба, располагающегося над кубиком, на его верхнюю грань действует сила Р, численно равная напряжению σ1 (так как площадь грани кубика равна единице):

Эта сила уравновешивается реакцией породы, находящейся под кубиком. Сжимаемый по вертикальной оси кубик стремится раздаться в стороны, оказывая на массив породы, окружающий кубик с боковых граней, давление, уравновешиваемое реактивными силами, возникающими в породном массиве; напряжение, возникающее в кубике от этих сил, составляет

Напомнив, что μ — коэффициент Пуассона, обозначим μ/1-μ через А; величину А называют коэффициентом горизонтального распора. Таким образом, мы установили, что кубик находится в напряженном состоянии; наибольшие силы воздействуют на него по вертикали, величины сил, действующих на боковые грани кубика, составляют долю вертикальных сил.
В нетронутом массиве эти силы взаимно уравновешиваются, однако равновесие сил нарушается при проведении в породном массиве горной выработки. Вернемся вновь к выделенному нами кубику и представим себе, что одна из его граней граничит например, с боковой стенкой выработки (рис. 108,б). Реакция породы со стороны обнаженной грани кубика отсутствует, и это может привести к деформации и разрушению кубика. Аналогичные процессы возникают во всех слоях породы, образующих стенки, кровлю и почву выработки. Проявлением горного давления может быть деформация, частичное или полное разрушение выработки. Представленная картина напряжений и деформаций горных пород идеализирована и схематична; неоднородность состава и строения пород, их анизотропия, трещиноватость и другие факторы усложняют поля напряжений пород вокруг горных выработок и заставляют проводить расчеты горного давления, пользуясь условными гипотезами и эмпирическими формулами.

Прежде чем перейти к рассмотрению основных из этих гипотез, изложим некоторые соображения об условиях проявления горного давления в выработке и устойчивости обнаженных выработкой пород. Из вышеизложенного следует [формулы (XV.I) и (XV.2)], что с увеличением глубины выработки напряженное состояние пород, а следовательно, и зависящее от него горное давление увеличиваются. Перераспределение напряжений вокруг горной выработки, в связи с появлением обнаженных поверхностей, приводит к тому, что в породах на контуре горной выработки возникают напряжения двухосного сжатия (вместо трехосного сжатия, имевшего место в нетронутом породном массиве) и вызываемые ими напряжения сдвига, растяжения и изгиба. В тех случаях, когда величина концентрации этих напряжений не превышает соответствующих прочностных показателей пород, контур выработки будет устойчив — проявлений горного давления не будет. Если же прочностные показатели пород, слагающих кровлю, боковые стенки или почву выработки, будут ниже, то контуры выработки будут деформироваться, и если она закреплена, то на крепь будут передаваться нагрузки. Таким образом, в практике проведения, допустим, горизонтальной подземной выработки могут иметь место следующие случаи:
1) породы, окружающие выработку, устойчивы — проявлений горного давления по всему контуру выработки нет, выработка не деформируется и более или менее длительное время сохраняется без крепи;
2) породы, ограничивающие выработку сверху, с боков или снизу, неустойчивы; соответственно с этим могут деформироваться кровля, боковые стенки и почва выработки — для восприятия нагрузок от горного давления устанавливается крепь.

Горное давление в горизонтальной выработке. Одной из гипотез горного давления на кровлю горизонтальной горной выработки является гипотеза М.М. Протодьяконова. В соответствии с ней над выработкой при неустойчивой кровле, но устойчивых боковых стенках и почве образуется параболический свод естественного равновесия, называемый иногда сводом обрушения (рис. 109). Он воспринимает на себя давление всех вышележащих пород и передает его нa породы боковых стенок выработки. При этом давление, оказываемое на крепь, приравнивается к весу породы, заключенной внутри свода; следовательно, величина горного давления, передаваемого на 1 м крепи, составит

Pг = Q = Sγ0.

где Q — вес породы в объеме свода естественного равновесия, тс;
S — площадь поперечного сечения свода, равная при параболическом очертании eго 2/3*2ab, м2;
γ0 — объемный вес породы кровли, тс/м3 (отношение веса тела к единице объема);
а — половина ширины выработки, м;
b — высота свода естественного равновесия, м, принимаемая равной a/f, где f — коэффициент крепости пород.
Предложенная М.М. Протодьяконовым формула для расчета величины горного давления на 1 м крепи горизонтальной выработки имеет следующий вид:

Рассчитанная по этой формуле величина горного давления наиболее близко совпадает с фактической при рыхлых породах кровли выработки.
Известны и другие гипотезы горного давления на крепь горизонтальных горных выработок, получившие, однако, меньшее распространение. В процессе проведения выработки горное давление появляется не сразу и постепенно возрастает до максимума. Это давление называют первичным и связывают его с формированием свода. Постепенно породы приходят в состояние нового равновесия — горное давление уменьшается и становится постоянным. Это установившееся давление называют вторичным.

Горное давление в вертикальной выработке. Из гипотез горного давления в вертикальной выработке рассмотрим гипотезу М.М. Протодьяконова, сущность которой сводится к тому, что крепь вертикальной выработки как подпорная стенка испытывает давление призм (рис. 110), сползающих под углом 0. Величина этого давления на единицу площади ствола определяется по формуле

где γ0 ср — средневзвешенный объемный вес пересекаемых выработкой пород, тс/м3;
φcр — средний угол трения пересекаемых выработкой пород;
H — глубина ствола, м.
Горное давление в наклонной выработке. Расчет горного давления в наклонной выработке производится с учетом угла ее наклона α. При угле наклона α<45° горное давление рассчитывают исходя из величины Р, определенной по формуле (XV.3), раскладывая ее на две составляющие силы (рис. 111): нормальную к плоскости кровли N = P cos α и параллельную ей Т = -Р sin α.

Нормальная сила действует на элементы крепи, расположенные перпендикулярно оси выработки. Параллельная оси выработки сила вызывает дополнительные напряжения в элементах крепи, стремясь сдвинуть их по падению. При углах наклона выработки от 45 до 70° горное давление определяют по формуле

При угле наклона выработки α≥70° горное давление рекомендуется определять по формуле (XV.4).