CC BY
30
---------------------------------------------- © А.В. Мохов, 2004
УДК 622.83:622.272
А.В. Мохов
К РАСЧЕТУ ОСЕДАНИЯ ПОРОД В ЗОНЕ ПОЛНЫХ СДВИЖЕНИЙ НА УЧАСТКАХ РАЗРАБОТКИ ПОЛОГИХ И НАКЛОННЫХ КАМЕННОУГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ С ОБРУШЕНИЕМ КРОВЛИ
Семинар № 3
ценка деформаций сдвижения горнопородного массива на участках проектируемых разработок служит предпосылкой решения важных задач горного производства и охраны окружающей среды. Особый интерес она представляет для разработок с полным обрушением кровли, когда условия для техногенной трансформации массива максимально благоприятны.
Наибольшее практическое значение имеют прогнозы состояния и поведения его подработанной части. Ключевым при этом является определение оседания как базового параметра для оценки преобразований среды.
Трансформация пород внутри массива принадлежит к категории скрытопротекающих процессов и с трудом поддается изучению и, тем более, прогнозированию.
Оседание породных элементов массива на участках предстоящих разработок определяют по данным натурных измерений на аналогичных объектах или оценивают путем математического и физического моделирования на основе различных теоретических предпосылок. Вопросы определения ожидаемых оседаний разработаны в научном отношении слабо, что препятствует получению надежных и детальных оценок деформаций породной среды.
В то же время имеется значительное число количественных моделей легко наблюдаемого оседания земной поверхности. Анализ их структуры представляет интерес для решения рассматриваемого вопроса в силу общности управляющих смещением слоев и земной поверхности факторов и отражения в трансформации последней перемещения внутренних частей массива.
Полуэмпирическая природа этих моделей служит показателем слабой изученности и большой сложности механизма сдвижения горно-породной толщи в целом. Характерной
чертой всех моделей является обязательный учет вынутой мощности, способа управления горным давлением и угла падения пород. Остальные факторы формирования сдвижения и их взаимодействие учитываются косвенным образом с помощью эмпирических коэффициентов, значения которых зависят от особенностей природной и техногенно обусловленной обстановки.
Как правило, величина оседания намного уступает вынутой мощности в основном за счет расширения отдельных элементов и «разрыхления» породной толщи в целом в результате появления здесь новых пустот при изменении «укладки» частей массива на менее плотную. Развитие в подработанной толще зависающих слоев, рост угла падения пород вызывает снижение оседания. Вторичной пустот-ности присущи динамизм и способность к частичной редукции в ходе консолидации породной «массы». Максимальное оседание земной поверхности считается прямо пропорциональным вынутой мощности и связанным с этим фактором линейной зависимостью для всего диапазона его значений.
Отметим, что оседание массива на участках очистных работ служит следствием не только опускания его в выработанное пространство, но также результатом действия других процессов.
Исторически в основу модели оседания земной поверхности, приведенной в отечественных правилах охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях последних десятилетий, включая действующие сейчас [1], положены данные инструментальных наблюдений на участках выемки тонких пластов Донбасса, откорректированные в части влияния плановых размеров выработок
по месторождениям пластов средней мощности других регионов СССР.
В основе этой (и аналогичных по структуре) моделей лежит постулат о линейном характере снижения оседания по мере удаления от кровли выработанного пространства. Результаты прямых измерений на поверхности и внутри массива, различные косвенные данные не подтверждают обоснованности подобных представлений даже в первом приближении.
Представляется в этой связи вполне закономерным и опыт показывает, что погрешность прогнозов с применением подобных моделей может быть весьма велика и достигать десятков и даже сотни (например, при наличии зависающих слоев) процентов. Данное обстоятельство свидетельствует о возможности проявления в ходе сдвижения неожиданных и качественно новых эффектов. Большой интерес представляет в этой связи изучение деформаций внутри области полных сдвижений, где этот процесс управляется минимальным числом факторов.
На величину оседания влияют:
- вынутая мощность;
-«разрыхление» подработанной толщи массива при ее разделении на пачки слоев, отдельные слои, блоки;
- зависание отдельных областей подработанной толщи;
- расширение в объеме подработанной и надработанной толщи за счет разгрузки, набухания, других процессов;
- сжатие (консолидация) областей массива за счет собственного веса и пригрузки вышележащей толщей пород
и ряд других процессов различного знака.
Общий вектор проявлений всех процессов направлен вниз.
Их роль в общем случае неравнозначна.
Наибольшее значение имеют разрыхление (от блочной фрагментации) и расслоение (от зависания) подработанной части массива. Вблизи выработанного пространства приращение мощности слоев кровли создается разрыхлением; по мере удаления от нее проявляется и нарастает роль зависания. В области полных сдвижений его участие в формировании оседания по определению минимально. Значение пучения и поднятия массива в почве выработанного пространства, расширения отдельных фрагментов под влиянием различных воздействий, включая водопо-нижение и дегазацию, уплотнения пород не-
велико и находится на уровне обычно не более 10 % от суммарного вклада разрыхления и расслоения.
Соответственно, в большинстве случаев «ураганные» расхождения прогнозов и реализаций оседания связаны с вариациями и аномалиями разрыхления и расслоения.
Снижение оседания к земной поверхности отражает общее ослабление деформаций и, соответственно, разрыхления в этом направлении. В условиях несвязного прогиба подобный эффект фиксируется и в разрезе отдельных слоев. В зоне связного прогиба разрыхление пород близко к нулю. Довольно монотонный характер изменения коэффициента разрыхления (и оседания) нарушается в интервалах смены литологического состава пород и степени их трещиноватости.
Натурные наблюдения показывают, что в условиях полных сдвижений основная часть «потери мощности» приходится на зону обрушения пород. Выше зоны обрушения - в области несвязного прогиба пород - «потеря мощности» происходит намного менее существенно, причем также со все более отчетливой тенденцией к снижению в сторону земной поверхности. Внутри области связного прогиба оседание зачастую неизменно, что качественно отличает ее в данном отношении от подстилающей толщи. На этом фоне прослеживается связь деформаций породных тел с их литологическим составом и структурными показателями: при прочих равных условиях слои аргиллитов и алевролитов испытывают приращение мощности в меньшей степени, чем слои песчаников, а сильно трещиноватые породы, чем монолитные.
Подобная дифференцированность состояния и свойств породной среды позволяет считать раскрытие и учет механизма разрыхления отдельных областей массива главным путем совершенствования прогнозов оседания его внутренних частей и земной поверхности.
Рассмотрим эти вопросы применительно к области полной подработки с учетом известных и новых данных о деформировании породных массивов и земной поверхности сдвижением в условиях управления кровлей способом полного обрушения [2, 3].
Как известно, степень разрыхления зависит от литологической принадлежности, структурных характеристик и типа сдвижения автономно оседающей области горно-породной толщи.
Ее смещение может осуществляться в форме прогиба и проваливания.
При прогибе сдвижение развивается с расщеплением массива на отдельные слои и пачки слоев. Их смещение происходит в направлении нормали к напластованию (в соответствии с известным «Дортмундским правилом») в виде несвязного или связного прогиба.
При проваливании область массива, реже
- и вся «налегающая» часть подработанной толщи смещается как плита или вполне сыпучее тело с возможным выходом зоны обрушения на земную поверхность.
Этот вид сдвижения приповерхностной части массива (и земной поверхности) характерен в условиях ведения очистных работ на небольших глубинах (в Кузбассе - обычно до 100 м), при малой кратности ее подработки и значительной мощности покровных отложений. При повторных подработках возможность реализации такой формы сдвижения возрастает вследствие снижения устойчивости массива.
Отметим, что оседание земной поверхности при прогибе относительно ниже, чем при проваливании.
Имеются также качественные различия в сдвижении поверхности на участках разработки тонких и более мощных пластов. Так, обнаружено, что пропорциональность максимального оседания вынутой мощности в условиях полных сдвижений нередко нарушается, особенно, при выемке средних по мощности и мощных пластов.
Те же тенденции характерны для поведения пород внутри массива.
По нашим данным [2] приведенная в «Правилах охраны...» [1] математическая зависимость для расчета максимального оседания вполне отвечает реализации сдвижения в виде проваливания.
Анализ результатов детальных наблюдений за перемещением глубинных реперов показывает, что тип деформаций пород на участках выемки средних по мощности и мощных полого-наклонных угольных пластов может быть надежно установлен по величине оседания структурных элементов подработанной толщи в течение активной стадии сдвижения.
Связный без разрыхления прогиб склонного к зависанию слоя песчаника происходит, если в течение этой стадии его амплитуда не превысит 0,3-0,35 м. Для слоев глинистых пород (аргиллитов и алевролитов) эта
критическая величина близка к 1,2 м. Данные пороговые значения сохраняют стабильность в условиях различных каменноугольных бассейнов - Карагандинского, Кузнецкого и др., а также буроугольных месторождений в широком диапазоне физикомеханических свойств пород, мощности и угла падения слоев.
При прогибе разрыхление слоя практически не происходит или является незначительным, если потенциал его оседания в течение активной стадии сдвижения не превышает критического значения. Степень фрагментации слоя, соответственно, коэффициент разрыхления пород, оказываются прямо и в то же время нелинейно связаны с величиной превышения порогового оседания.
Примечательно, что отношение критических величин оседания слоев глинистых пород и песчаника (конгломерата) близко к к = 3,14, что отражает волновой характер деформирования массива при прогибе. Можно полагать, что отклонение этого отношения от к связаны с действием осложняющих факторов и неточностью определения конца активной стадии сдвижения. Эти выводы позволяют оценить значение критической величины оседания для глинистых пород за счет исключительно фактора сдвижения и считать ее в условиях субгоризонтального залегания равной 0,35я, или 1,10-1,15 м.
В условиях полных сдвижений при выемке пластов средней мощности и мощных величина максимального связного прогиба любого достаточно удаленного от выработанного пространства слоя в массивах литологически и структурно однородных имеет тенденцию к асимптотическому приближению к критическому для слагающих его породных тел значению оседания. В массивах смешанного состава оседание определяется долей содержания породных тел с различными ли-толого-структурными характеристиками и также развивается по асимптотической траектории.
Эти эмпирические закономерности положены в основу новой математической модели оседания подработанной толщи в форме прогиба слоев внутри области полных сдвижений.
При ее разработке и применении постулируется как универсальный следующий механизм деформирования подработанной толщи: расщепление массива на отдельные
слои - автономное оседание слоев вдоль нормали к напластованию - разрыхление слоев со сверхкритическим оседанием - уплотнение разрыхленного массива. Приращение мощности находится в прямой (нелинейной) зависимости от превышения критического смещения слоя в направлении вкрест напластованию. Смещение кровли слоя в течение активной стадии сдвижения рассчитывается как разность первичной высоты выработанного пространства (средней вынутой мощности) и общего приращения мощности подстилающих слоев массива.
Коэффициент разрыхления Кразр субгори-зонтального слоя к исходу активной стадии сдвижения может быть представлен в виде степени основания натурального логарифма е = 2,718
к ~ е b (п - n ) (1)
±у~разр — крит ? V1)
где ц - оседание кровли слоя; цкрит - критическая величина оседания слоя; b - коэффициент пропорциональности.
Соответственно, приращение Дш; вертикальной мощности г-го от кровли выработанного пространства слоя первоначальной мощностью ш, составит с учетом угла падения
Дш; = Ш; cosa [(expb (Hi-1 -4Kpumi)) - 1] (2)
cos a
где ^,-.1 - величина оседания (г-1)-го (предыдущего) слоя, м; ^0= ш0; цкрит , - критическая величина оседания г-го слоя, м; a - угол падения слоев.
Величина максимального оседания кровли г-го слоя в области полных сдвижений с учетом параллельно протекающего его уплотнения к концу стадии активного сдвижения составит
^ ,= mocosa -n
{ ^ Ш, cosa[(exp b (лг-1 _ Лкрит! )) - 1]K,,M,}, г=1 cos а
(3)
1. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях /Минтопэнерго РФ, РАН, ВНИМИ. - СПб,1998. 291с.
2. Мохов А.В. К вопросу о закономерностях сдвижения земной поверхности на участках подземной разработки твердых пластовых полезных ископаемых. Гор-
где т0 - вынутая мощность, м; Купл ,■ - коэффициент уплотнения породного слоя.
Расчет выполняется последовательно для каждого слоя вверх от выработанного пространства до заданной поверхности - кровли ь го слоя. Критическая величина оседания принимается равной для слоев аргиллитов, алевролитов и тонкого переслаивания их с песчаником - 1,15/е08а м, для песчаников и конгломератов мощностью свыше 1 м - 0,35/ео8а м. Слои песчаников и конгломератов меньшей мощности считаются неразрыхляющимися. Коэффициент уплотнения применяется для каждого слоя однократно.
Параметр «Ь» определяется по данным наблюдений на аналогичных участках за смещением глубинных реперов как функция интенсивности разрыхления от оседания, мощности и структурных характеристик слоев различного литологического состава. Аналогичным способом определяется коэффициент уплотнения.
Дополнительное уплотнение на стадии затухания сдвижения может быть учтено применением к расчетному значению оседания по формуле (3) коэффициента 1,03-1,06. Значения верхней части диапазона применяются для слоев у внешнего контура области полных сдвижений и в случаях существенно глинистого состава пород, а нижней - для основания этой области и в случае преобладания здесь песчаников.
Применение формулы (3) предполагает предварительную квалификацию ожидаемого вида сдвижения отдельных элементов подрабатываемой толщи. Вместе с тем, ошибочное принятие проваливания за прогиб для слоев нижней части массива не приводит к большим погрешностям прогноза вследствие асимптотических тенденций в накоплении деформаций налегающей толщи.
Использование предложенной модели дает удовлетворительные результаты при расчетах максимального прогиба слоев в области полных сдвижений.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ный информационно-аналитический бюллетень. МГГУ, 2000, № 12, с. 145-151.
3. Мохов А.В. Методика прогнозной оценки гидрогеологических условий подработки затопленных выработок на пологих и наклонных пластах каменноугольных месторождений: Автореф. дис. канд. геол.-мин. наук. Зеленый: ВСЕГИНГЕО.- 1984, 19с.
------------------------------------------ © В.М. Серяков, Г.Н. Волченко,
А.В. Серяков, 2004
УДК 622.235.4/.5
В.М. Серяков, Г.Н. Волченко, А.В. Серяков
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ ПРИ ОТБОЙКЕ БЛОКОВ НА ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТАХ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Семинар № 3
~П се рудные месторождения Горной
-Я-М Шории и Хакасии отрабатываются системой этажного принудительного обрушения рудных блоков и налегающих пород. При применяемой технологии более четверти трудовых и материальных затрат приходится на операции, связанные со взрывной отбойкой руды. Увеличение глубины подземных работ на рудниках приводит к росту напряжений в массиве, ухудшению горнотехнических условий разработки, снижению степени дробления горной массы и вызывает значительное увеличение расхода ВВ на отбойку при использовании известных схем короткозамедленного взрывания (КЗВ) [1].
Поддерживать достигнутый уровень качества дробления удается в основном путем увеличения энергетических затрат на отбойку. Вместе с тем горные породы на этих глубинах обладают большим запасом потенциальной энергии, что подтверждается многочисленными проявлениями горного давления. Важнейшей практической задачей в сложившихся условиях является рациональное использование
потенциальной энергии массива при взрывном разрушении рудных блоков.
Экспериментальными и теоретическими исследованиями установлено, что процесс взрывного разрушения горных пород в поле растягивающих нагрузок менее энергоемок, чем в поле сжимающих напряжений. При осуществлении КЗВ в отбиваемом массиве после взрыва зарядов ВВ каждой ступени замедления, вследствие образования новых свободных поверхностей, происходит перераспределение статического поля напряжений. Все это говорит о том, что разработка эффективных схем взрывания возможна на основе создания в отбиваемых блоках такой формы новых свободных поверхностей, которая приводила бы к появлению максимальных по объему зон действия растягивающих напряжений, где взрыв зарядов ВВ с уменьшенным удельным расходом ВВ позволит достичь приемлемого качества дробления.
С этой целью проведены лабораторные эксперименты по взрывному разрушению моделей из оргстекла, которые позволили установить качественные особенности разрушения
