Зоны повышенных проявлений горного давления
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.
Источник
ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ (а. rock pressure; н. Gebirgsdruck; ф. pression des terrains; и. presion del terreno) — напряжения, возникающие в массиве горных пород, вблизи стенок выработок, скважин, в целиках, на поверхностях контакта порода — крепь в результате действия главным образом гравитационных сил, а также тектонических сил и изменения температуры верхних слоев земной коры.
Наиболее общей формой проявления горного давления является деформирование горных пород, которое приводит к потере ими устойчивости, формированию нагрузки на крепь, динамическим явлениям (горным ударам, внезапным выбросам). Поэтому при проведении горных выработок предварительно рассчитывают горное давление для определения прочности несущих элементов подземных сооружений (стенок выработок, целиков и крепей) и выбора способов управления горным давлением.
Первые методы расчёта горного давления основывались на гипотезе, согласно которой горное давление вызвано весом определённого объёма пород, приуроченного к данному несущему элементу. Одной из наиболее распространённых была гипотеза Турнера (Франция, 1884), на основе которой горное давление в целиках при камерно-столбовой системе разработки определяется весом столба пород (от уровня залежи до поверхности), ограниченного в плане осями симметрии прилегающих к целику камер или просеков. На этой гипотезе основан метод расчёта Л. Д. Шевякова.
Аналогичные гипотезы о горном давлении на крепь подготовительных выработок исходили из предположения о действии на крепь веса столба пород от выработки до поверхности с основанием, равным пролёту выработки. Однако оно приводило даже для небольших глубин к нагрузкам, которые не могла бы выдержать крепь. Поэтому были выдвинуты гипотезы о действии на крепь веса пород в пределах треугольного или сводчатого объёма с основанием, по-прежнему равным пролёту выработки. Наибольшую известность получила гипотеза русского учёного М. М. Протодьяконова (1907), в которой указанный объём представляет собой параболический свод. Его высота (b) связана с полупролётом выработки (а) соотношением: b=а/f, где f — тангенс угла внутреннего трения для сыпучих пород или коэффициент крепости для связных. Расчёты по этой формуле для глубин до 200-300 м (при отсутствии тектонических напряжений) дают практически приемлемые результаты.
Применительно к лавам угольных пластов гипотеза о весе пород свода трансформировалась в гипотезу о сводчатой форме распределения горного давления на крепь, параметры которого определяются по результатам натурных замеров и по качественным оценкам. Наряду с упомянутыми гипотезами развивалось направление, сводившее изучение горного давления к задаче изучения напряжённо-деформированного состояния массива, не потерявшего сплошности. Здесь широкое применение нашли методы механики деформируемых сред, в частности теории упругости, пластичности, ползучести и др. Упругое напряжённо-деформированное состояние в окрестности горизонтальной круглой подготовительной выработки теоретически изучено А. Леоном (Германия, 1908); им же совместно с Ф. Вильхаймом (Германия, 1910) поставлены опыты по разрушению стенок такой выработки на моделях из мрамора. Для вертикального ствола упругая задача решена советский учёным А. Н. Динником в 1926, попутно им дан вывод одной из наиболее распространённых формул для определения коэффициента бокового распора.
Более детальное решение для незакреплённого ствола получено советским учёным С. Г. Лехницким (1937). Упругопластичность, напряжённо-деформированное состояние в окрестности горизонтальной и вертикальной круглой выработки рассмотрел Р. Феннер (Чили, 1938). В его решении горное давление на крепь определяется минимальным значением, при котором окружающая выработку пластинная зона будет находиться в равновесии.
Принципиальной для развития теории горного давления явилась работа советского учёного Г. Н. Савина (1947), в которой использовано условие совместности перемещений контактирующих друг с другом точек поверхности выработки и крепи. Это позволило теоретически объяснить влияние податливости крепи на величину горного давления. А. Лабас (Бельгия, 1949) предложил рассматривать поведение пород в разрушенных областях вокруг выработок как поведение сыпучей среды, характеризующейся внутренним трением и сцеплением.
В 1954 советский учёный Г. Н. Кузнецов впервые сформулировал фундаментальные понятия о двух крайних режимах работы крепи: заданной нагрузки и заданной деформации; дальнейшее развитие эти понятия получили в работах советского учёного Г. А. Крупенникова и его школы. Г. Н. Кузнецовым сформулирована также концепция шарнирно-блочных систем, образующихся в кровле очистных выработок. Советский учёный К. В. Руппенейт на основе предложений Г. Н. Савина и А. Лабаса построил универсальную расчётную схему, позволяющую связать горное давление на крепь подготовительной выработки с упругими и прочностными свойствами пород. Ю. М. Либерман, модифицировав схему К. В. Руппенейта, разработал метод, позволяющий определить оптимальная жёсткость крепи. В конце 70-х гг. вновь возродился интерес к определению горного давления на крепь как веса некоторого объёма сыпучей породы; достижения в этой области связаны с работами советского учёного Е. И. Шемякина и др.
Систематическое изучение тектонических сил в массиве горных пород начато в СССР работами М. В. Гзовского в 1954 и продолжено И. А. Турчаниновым, Г. А. Марковым, за рубежом — Н. Хастом (Швеция, 1958) и другими исследователями. Основные методы исследования горного давления — аналитический, моделирование (оптическое и эквивалентными материалами) и натурные наблюдения.
Горное давление в ненарушенном (нетронутом) массиве. Если рассматривать массив, в котором ещё нет горных выработок, как однородный и изотропный с горизонтальной поверхностью и учитывать лишь гравитационные силы, то в нём будут действовать начальные нормальные напряжения:
sz = gH; sx = sy = xgH,
где Н — глубина от поверхности;
g — объёмный вес;
х — коэффициент бокового распора.
Начальные касательные напряжения txy, txz, tyz равны нулю; поэтому начальные напряжения представляют собой главные нормальные напряжения, а оси z, х, у — главные оси (рис. 1).
В реальных природных средах действует большое число факторов, иногда сильно влияющих на изменение значения горного давления (например, направленность тектонических сил, как правило, вызывает неравенство горизонтальных составляющих).
Горное давление в капитальных и подготовительных выработках. При проведении горизонтальных капитальных и подготовительных выработок главные нормальные напряжения изменяются, а главные оси тензора напряжения поворачиваются по сравнению с начальными. В плоском сечении, перпендикулярном оси выработки (вдали от забоя), напряжённое состояние каждой точки можно охарактеризовать главными нормальными напряжениями s1 и s2 и линиями, указывающими направление главных осей в каждой точке, т.н. траекториями главных напряжений (рис. 2, а).
Напряжения s2 вблизи выработки уменьшаются по сравнению с напряжениями в нетронутом массиве, а напряжения s1 могут значительно возрастать или менять знак, вызывая опасное растяжение. Главные нормальные напряжения, направленные параллельно (или почти параллельно) оси выработки, вдали от забоя практически не изменяются. Концентрация напряжений s1, как правило, неодинакова в разных точках поверхности выработки, сильно возрастая в углах и закруглениях малого радиуса кривизны. Если концентрация напряжений не слишком велика, то напряжения s1 имеют общую тенденцию к убыванию при удалении от выработки (рис. 2, б), а s2 к возрастанию. При больших концентрациях напряжения превосходят соответствующие пределы прочности пород, и вблизи поверхности выработки эти породы начинают пластически деформироваться или хрупко разрушаться (зона неупругих деформаций). В этой зоне напряжения s1 падают по сравнению с теми значениями, которые наблюдались до её образования, и меняется характер их распределения (рис. 2, в). Максимум напряжений s1 приурочен к внешней границе зоны неупругих деформаций, на которой они могут претерпевать разрыв. Смещения точек поверхности выработки увеличиваются с удалением от забоя (рис. 3), однако на расстоянии 4-5 пролётов выработки наступает их стабилизация.
Дальнейший рост смещений во времени обусловлен реологическими свойствами горных пород. При прочих равных условиях смещения увеличиваются с ростом глубины разработки и уменьшением показателей прочности и модуля деформации пород.
Роль крепи в выработке сводится к предотвращению чрезмерного развития зоны неупругих деформаций и обрушения пород. При достаточно большой жёсткости крепи она работает в режиме заданной (или взаимовлияющей) деформации и горное давление возникает вследствие того, что крепь воспринимает прирост смещений с момента её установки, который зависит от давления (р). Поэтому последнее можно определить из условия совместности смещений:
Ut(р) = U0 + Utk (р),
где Ut (р) — смещение поверхности выработки в момент времени t;
U0 — смещение поверхности выработки до наступления контакта между крепью и этой поверхностью;
Utk (р) — смещение контура крепи в момент времени t. Решение этого уравнения (относительно р) находят по графику (рис. 4).
При малой жёсткости крепи её смещения велики, и поэтому породы зоны неупругих деформаций отслаиваются от окружающих пород, нагружая крепь собственным весом (режим заданной нагрузки). В режиме заданной или взаимовлияющей деформации давление будет тем меньше, чем меньше жёсткость крепи. Этой возможностью снижения нагрузки пользуются на практике, создавая в крепи различные узлы и элементы податливости. Однако, чем меньше реакция крепи, тем больше размеры зоны неупругих деформаций, породы которой воздействуют на крепь своим весом. Таким образом, снижение жёсткости крепи имеет естественный предел — оптимальную жёсткость, обеспечивающую минимальное давление в данных горно-геологических условиях. При невозможности (или затруднительности) регулировки жёсткости постоянной крепи (например, монолитной бетонной или металлобетонной) давление на неё снижают, возводя крепь на достаточном расстоянии от забоя и (или) спустя достаточное время после обнажения. В период от момента образования обнажения до возведения постоянной крепи соответствующие участки выработки поддерживаются временной крепью. Для выработок, не испытывающих влияния очистных работ, типичное значение смещения контура выработки составляет 20-40 см, а давление на крепь — 100-200 кПа. Однако в зависимости от типа крепи, глубины разработки, свойств пород и других факторов эти величины могут изменяться в несколько раз.
Влияние очистных работ приводит к увеличению смещений контура выработки. Если выработка непосредственно примыкает к лаве (например, откаточный и вентиляционной штреки), то смещения достигают половины вынимаемой мощности пласта. С целью уменьшения этого влияния применяют различные способы охраны горных выработок. Общий характер изменения напряжений при сооружении вертикальных выработок (стволов) такой же, как при проведении горизонтальной выработки. Взаимодействие мощной и жёсткой крепи ствола с массивом имеет характер взаимовлияющей деформации.
Горное давление в очистных выработках. При очистной выемке длинными забоями (лавами) характер горного давления и его проявлений существенно иной, чем в подготовительных выработках и стволах (рис. 5).
Это связано с обнажением пород на больших площадях и наличием постоянного перемещения забоя, играющего существенную роль в формировании проявлений горного давления. Угольный пласт впереди забоя является опорой для кровли, поэтому в нём возникают повышенные нормальные напряжения (опорное давление), вызывающие частичное разрушение и выдавливание призабойной части пласта (отжим угля). В кровле очистной выработки основным видом смещений пород является послойный изгиб с образованием зазоров и щелей между отдельными слоями (расслоение и отслоение). При определенной величине подвигания забоя возможно разрушение слоев горных пород и обрушение их в выработку. Чтобы не допустить массового обрушения в призабойное пространство с разрушением крепи, применяют различные способы управления горным давлением (например, полное обрушение и закладку выработанного пространства). При полном обрушении индивидуальная крепь выбивается за задней границей призабойного пространства, вследствие чего нижний слой кровли (так называемая непосредственная кровля) обрушается по границе, которая обычно усиливается специальной посадочной крепью. Оставшаяся над призабойным пространством непосредственная кровля может быть надёжно поддержана призабойной крепью. Процесс обрушения в выработанном пространстве по мере подвигания забоя распространяется в висячий бок, захватывая вначале идущую вслед за непосредственной основную кровлю, а затем и вышележащие слои. По мере удаления от пласта беспорядочное обрушение сменяется упорядоченным обрушением и плавным опусканием слоев, уменьшающимся с увеличением степени разрыхления и мощности обрушающейся непосредственной кровли.
При работе с механизированной крепью непосредственная кровля обрушается вслед за передвижением крепи. Основная кровля некоторых пластов представляет собой мощные слои прочной породы (например, песчаника). Такая кровля обрушается только при очень значительном подвигании забоя, что вызывает усиленное давление на крепь. Эффективное управление горного давления при подобных труднообрушающихся кровлях возможно путём предварительного ослабления их впереди линии забоя взрыванием мощных скважинных зарядов (торпед), гидроразрыхлением и т.п. Перспективно также применение механизированных крепей высокого сопротивления. При слабых породах почвы, в которые вдавливается крепь, используют специальные расширенные опоры. Для управления горным давлением на крутопадающих пластах применяется закладка выработанного пространства, которая препятствует прогибу слоев кровли, ликвидируя чрезмерные изгибающие моменты и возможность обрушения.
Горное давление на крепь очистной выработки вычисляется с учётом условий её работы в режиме заданной нагрузки или заданной (взаимовлияющей) деформации аналогично горному давлению на крепи капитальных и подготовительных выработок. При этом слои кровли рассматриваются как балки, плиты или шарнирно-блочные системы. Размеры зоны расслоения, в пределах которой образуется система взаимодействующих балок (плит), определяются методами механики деформируемой среды. Балки (плиты) считаются загруженными собственным весом, а также пригрузкой со стороны вышележащих слоев. Величина пригрузки определяется из эмпирических соотношений, полученных на основе лабораторных экспериментов, или аналитического вывода, базирующегося на условии совместности смещений. Шарнирно-блочная система образуется в результате упорядоченного разрушения балок (плит) и состоит из блоков пород кровли, которые взаимодействуют между собой в отдельных точках и на целых поверхностях. Сами блоки практически не деформируются, но поворачиваются друг относительно друга, взаимно проскальзывают с трением на поверхностях. Поведение таких шарнирно-блочных систем и их взаимодействие с крепью рассчитываются методами строительной механики. Расчёт давления беспорядочно обрушенных пород и закладочных материалов на крепи осуществляется также методами механики сыпучей среды. Для анализа схем работы кровли и главным образом для практического выбора способов управления горным давлением широко используются различные классификации структур кровель.
Горное давление в целиках. Напряжённое состояние достаточно высоких (по сравнению с характерным размером основания) междукамерных столбчатых и ленточных целиков является соответственно приближённо одноосным или двухосным. Расчёты и экспериментальные исследования показывают, что междукамерные целики, находящиеся вблизи массивных панельных или барьерных целиков, а также вблизи границ залежи, в известной степени разгружены от горного давления. В широких целиках распределение напряжений по сечению существенно неравномерно и зависит от механических свойств горных пород целика почвы и кровли. В целиках, сложенных крепкими, хрупкими породами и залегающими в таких же породах, значительные концентрации напряжений наблюдаются вблизи стенок. При существенно пластичных породах (уголь, некоторые руды) у стенок целика происходит спад напряжений. В средней части широкого целика может образоваться «ядро», находящееся в объёмном напряжённом состоянии, что повышает несущую способность целика. Для учёта этого повышения применяют эмпирические коэффициенты, а также используют закономерности, полученные на основе использования теории предельного равновесия.
Источник
