CC BY
25
YAK
А.В. Мохов
К ВОПРОСУ О ЗАКОНОМЕРНОСТЯХ СЛВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА УЧАСТКАХ ПОАЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ ТВЕРЛЫХ ПЛАСТОВЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Сдвижение земной поверхности на участках подземной разработки твердых полезных ископаемых служит объектом многолетних натурных и теоретических исследований. Многие закономерности этого процесса в условиях выемки пластовых залежей могут считаться установленными с достаточной достоверностью. Вместе с тем заключение о решении вопроса представляется в принципиальном плане преждевременным, поскольку практика наблюдений свидетельствует о фактах ураганных расхождений прогнозов и реализаций и неснижаемой, подчас недопустимой по величине, погрешности априорных оценок основных параметров сдвижения даже на угольных месторождениях, где этот процесс характеризуется максимальной изученностью. Опыт убеждает, что наименее надежные прогнозы характерны для случаев выемки мощных пластов.
Трансформация земной поверхности отражает перемещение массива. Наличие существенных расхождений прогнозов и реализаций является признаком низкой степени изученности процесса сдвижения и деформаций пород внутри массива и недостаточной разработанности теории геоме-ханических преобразований породной среды вообще.
Сдвижение поверхности регулируется значительным числом факторов. Особенностью практически всех моделей сдвижения является непосредственный учет таких наиболее значимых факторов, как размеры выработанного пространства, способ управления проявлениями горного давления и угол падения пород. Остальные
торы учитываются, как правило, косвенным образом, например, с помощью эмпирических коэффициентов, значения которых зависят от природной и генно обусловленной об-ки. Влияние вынутой мощности проявляется в чистом виде в ловиях полной подработки земной поверхности.
Недостатки моделей сдвижения и деформаций компенсируются использованием в явном или скрытом виде данных по сходным или тождественным в геологическом или горнотехническом отношении объектам. В содержательном плане
чески все прогнозные модели являются вариантами метода геомеханической аналогии.
Считается, что параметры сдвижения поверхности принимают непрерывный спектр значений во всем характерном для угольных месторождений размахе изменения управляющих факторов, в частности, вынутой мощности.
Ключевое значение для разработки прогнозов сдвижения и деформаций имеет вопрос о связи максимального оседания с вынутой мощностью. Эта связь постулируется прямолинейной, однако имеются основания ожидать качественных различий зависимости оседания в различных частях диапазона значений этого фактора. Обоснованность такого предположения подтверждают материалы инструментальных измерений максимального оседания земной поверхности в Кузнецком бассейне, где ведется (или велась) выемка пологих и полого-наклонных угольных пластов различной мощности - от тонких до мощных.
На рис. 1, 2 приведены результаты 59 наблюдений, выполненных ВНИМИ и другими организациями на участках разработки 29 пологих и полого-наклонных пластов в Ленинском, Белов-ском, Анжерском, Осиновском и других углепромышленных районах бассейна. Извлечение пластов произведено длинными забоями с полным обрушением кровли в диапазоне средних глубин 35-360 м, вынутых мощностей 0,98-3,5 м в условиях заведомо полной первичной или повторной подработки массива.
Сравнение показывает заметное несовпадение полей распределения ожидаемых (согласно [1]) и фактических величин максимального оседания, существенное отставание измеренных значений от прогнозных (рис. 1). Минимальные расхождения характерны для нижней, максимальные - для верхней части диапазона значений вынутой мощности.
Минимум расхождений свойственен также разработкам на участках со значительной мощностью наносов или (и) на относительно меньших глубинах. При этом имеет место по существу систематическое увеличение оседания по сравнению с альтернативными условиями (рис. 1, 2). При первичной подработке, а также выемке на глубине более 100 м при развитии на участке наносов мощностью до 30 м отставание абсолютных значений оседания от роста вынутой мощности максимально. При повторных подработках глубина мульд сдвижения, как правило, более тесно и вполне прямолинейно связана с этим фактором.
Можно констатировать, что зависимость мак-
симального оседания от вынутой мощности имеет в целом нелинейный характер и слабеет с ее ростом. Подобная тенденция вплоть до полной потери связи присутствует особенно сильно при первичных подработках.
Визуальный анализ графиков выявляет стабилизацию максимального оседания в широком диапазоне значений вынутой мощности, проявляющуюся особенно ярко в условиях работ на
глубинах свыше 100 ми при мощности наносов до 30 м. Начиная со значений вынутой мощности более 1,4-1,5 м, максимальное оседание тяготеет к уровню 1,2—1,3 м.
Наличие систематических смещений позволяет сделать вывод о принадлежности ре-
зультатов измерений к двум генеральным совокупностям в статистическом смысле. Существование этих совокупностей связано с проявлением двух типов сдвижения подработанной толщи, один их которых развивается в условиях выемки при мощности наносов на участке свыше 30 м или (и) на глубине до 100 м, а второй — в альтернативной обста-
новке. Профиль мульды отражает тип сдвижения массива.
Как известно, при ведении работ на малых глубинах, в условиях значительной мощности наносов и при повторных подработках типичной особенностью мульд сдвижения является повышенная крутизна борта и обрывистость его сопряжения с донной частью. С возрастанием глубины разработки и кратности подработки, умень-
Рис. 2. Зависимость максимального оседания По земной поверхности от вынутой мощности т в условиях полной подработки (Кузбасс)
Условные обозначения: см. рис. 1.
Рис. 1. Зависимость максимального оседания По земной поверхности от вынутой мощности т в условиях полной подработки (Кузбасс)
О оседание на участках с наносами мощностью свыше 30 м или (и) разработках на средней глубине до 100 м;
® оседание на участках с наносами мощностью до 30 м и разработкой на глубине 100360 м
шением мощности наносов преобладающее распространение получают депрессии относительно меньшей глубины с более пологими бортами.
Мульды с крутыми бортами формируются при смещении - проваливании всей или какой-то части подработанной толщи до поверхности практически единым массивом без существенной поддержки со стороны боковых пород. Появление депрессий с отлогими бортами характерно для условий прогиба этой части массива.
Результаты наблюдений за сдвижением слоев внутри подработанной толщи подтверждают обоснованность данного вывода.
Анализ таких измерений на участках разработки пластов мощных и средней мощности показывает, что опускание пачек и отдельных слоев без приращения или с минимальным итоговым приращением мощности, соответственно, без образования, либо с последующим полным смыканием трещин имеет место, если к моменту завершения сдвижения величина оседания этих элементов массива не превысит определенного критического значения.
В массивах песчано-глинистого состава могут присутствовать и обособляются при сдвижении пачки двух разновидностей с различной критической величиной оседания. При наличии в составе пачки склонного к зависанию слоя песчаника эта величина составляет приблизительно 0,3 м. Для пачек второй разновидности с характерным частым чередованием слоев различной литологической принадлежности она равна 1,20—1,30 м. Данный параметр оседания сохраняет высокую стабильность в широком диапазоне прочностных свойств пород, мощностей и углов падения слоев в условиях различных угольных бассейнов — Карагандинском, Кузнецком, Кизе-ловском и др. Поскольку форма и общий ритм оседания пачек определяется несущей способностью слоев песчаных монолитных в первом случае и глинистых пород (аргиллитов, алевролитов) во втором, на структурные элементы массива соответствующего типа могут быть распространены значения критической величины оседания всей пачки [2].
При наблюдениях за сдвижением земной поверхности в тех случаях, когда в подработанной толще развиты зависающие слои песчаников, нередко, начиная с момента достижения величины оседания 0,3 м, происходит хорошо заметное ускорение процесса сдвижения. При этом на смену связному смещению приповерхностной части уг-
леносной толщи приходит прогиб с образованием трещин и наблюдается увеличение крутизны бортов мульд сдвижения, прерывистое, подчас бурное оседание отдельных слоев и всего массива на большой площади и т.п. Эти данные согласуются с результатами наблюдений за смещением пород внутри массива и показывают, что величина наибольшего возможного оседания связ-нопрогибающихся областей характеризуется высокой стабильностью для массивов скальных и полускальных пород.
При последующих подработках ослабленный массив ведет себя как менее жесткое тело и оказывается более подверженным деформациям. Сильно нарушенный массив может приобрести свойства практически сыпучего тела, состоящего из слабосвязанных распорными силами породных блоков. Ранее зависающие слои, как правило, теряют склонность к зависанию и оседание подработанного массива с такими слоями определяется в дальнейшем обычно подвижностью структурных элементов глинистого состава. Сказанное иллюстрирует рис. 3, где одна из ветвей сдвижения характеризует оседание в условиях потери несущей способности слоев всех литоти-пов (кривая а). Возросшая структурная однородность массива служит предпосылкой активизации сдвижения.
На рис. 1, 2 не нанесены точки, соответствующие значению максимального оседания 0,30-
0,35 м, из-за малого количества таких данных по Кузнецкому бассейну. В правомерности выделе -ния второго дискретного значения убеждают материалы единичных наблюдений в других угольных бассейнах, а также данные об условиях связного прогиба слоев песчаников.
Приведенные данные указывают на существование закономерности сдвижения стратиформ-ных толщ горных пород, заключающейся в существовании дискретного ряда величин наибольшего возможного оседания поверхности (в том числе, земной поверхности) областей связного прогиба массива под влиянием очистных работ. Эта величина зависит от литологического состава и структуры слоев, определяющих подверженность таких областей сдвижению.
Широкое распространение случаев со связным смещением приповерхностной части массива не может быть объяснено малой представительностью выборки, либо влиянием субъективного фактора. В действительности связное или близкое к нему оседание широко распространено в
условиях различных месторождений, отражая наличие и преобладание в сдвижении и деформациях породных толщ соответствующих тенденций. Как установлено автором, в массиве и в пределах подработанной толщи, в частности, получает развитие противодействие влиянию извне. Результатом подобной реакции породной среды служит ослабление возмущений по мере удаления от выработанного пространства и сохранение во многих случаях практически исходного напряженно-деформированного состояния в пределах значительной части массива. Такие свойства сохраняет прогибающаяся связно толща горных пород. Связный прогиб приповерхностной части массива со стабилизацией максимального оседания поверхности на одном из "разрешенных" уровней обеспечиваются имеющем компенсирующий характер самопроизвольным усилением разрыхления (в результате самоподбучивания, расслоения и т. п.) породной толщи в ответ на усиление внешнего воздействия. При переходе прогибом критических точек (0,30—0,35 м и 1,20—1,30 м) происходит рост "разрыхления" элементов массива соответствующего состава и структурных характеристик и формирование в системе "сигнал-отклик" сильных отрицательных обратных связей, препятствующих развитию надпороговых деформаций или хотя бы затрудняющих его [2].
Подобный механизм действует в области блочного сдвижения массива. При ведении очистных работ за ее пределами развитие сдвижения может подчиняться другим закономерностям.
Эффект дискретности величин максимального связного прогиба областей массива и земной поверхности имеет достаточно общий характер и наблюдается в условиях месторождений других твердых полезных ископаемых, например, калийных солей, а также в случаях применения иного способа управления горным давлением.
Можно констатировать, что наибольшее соответствие прогнозных (по методике [1]) и фактических значений оседания поверхности наблюдается при первичной подработке массивов, не содержащих склонные к зависанию слои, при вынутой мощности до 1,3 м, либо на малых глубинах или (и) при большой мощности наносов. Учитывая склонность массива в подобной обстановке к проваливанию, правомерно сделать вывод о приблизительном соответствии приведенных в [1] рекомендаций условиям сдвижения массива именно в такой форме, а при вынутой мощности до 1,3 м - также близкого к связному
прогиба массивов с несклонными к зависанию слоями. Аналогичное заключение справедливо также в отношении большинства других известных моделей оседания. Характер сдвижения подработанной толщи может быть ориентировочно оценен с помощью приведенных выше критериев — средней мощности наносов и глубины разработки.
Разработки на больших глубинах, при малой мощности наносов далеко не всегда сопровождаются связным прогибом приповерхностной части подработанной толщи. Указанные выше условия характеризуют лишь наиболее вероятную форму сдвижения этой области массива. Значительное превышение обнаруженных дискретных значений имеет место при проваливании толщи и является диагностически признаком такой формы сдвижения на участках разработки пластовых угольных залежей средней мощности и мощных. Применение подобного подхода даже при столь формальных критериях и приблизительном характере пороговых значений управляющих параметров оказывается, как свидетельствуют приведенные данные, полезным в различных практических приложениях.
Из сказанного вытекает следующие выводы об оседании поверхности в условиях полных сдвижений.
Максимальное оседание песчано-глинистых массивов с несклонными к зависанию слоями в течение активной стадии сдвижения может считаться обычно прямо пропорциональным вынутой мощности и содержанию глинистых пород в подработанной толще при величине первого фактора не более 1,4—1,5 м. В случаях интенсивного самоподбучивания массива максимальное оседание поверхности составляет приблизительно 1,25 м. При недостаточном развитии самоподбучива-ния прилегающая к земной поверхности часть толщи пород испытывает в разной степени выраженное несвязное оседание или проваливание.
При наличии склонных к зависанию слоев песчаника величина максимального оседания стремится к 0,30—0,35 м в случае связного итогового опускания хотя бы одного из таких слоев. В иной ситуации наиболее вероятно следующее развитие событий: свободное проваливание при небольшой глубине разработки и все более затрудненное с ее возрастанием. В условиях несвязного прогиба величина максимального оседания по-видимому прямо зависит от содержания в подработанной толще глинистых пород. Такая
Рис. 3. Принципиальная схема развития оседания земной поверхности во времени и зависимость максимального оседания от вынутой мощности в условиях полной подработки
схема реализуется с максимальной вероятностью в условиях размещения слоев- мостов в непосредственной близости от выработанного пространства.
дание может практически отвечать вынутой мощности, обратные связи развиты довольно слабо и недостаточны для обеспечения саморегуляции. Поверхность подработанной толщи "вы-
Принципиальная схема развития опускания поверхности во времени и зависимость ее максимального оседания в условиях полной подработки от вынутой мощности для породных толщ песчано-глинис-того состава иллюстрируется рис. 3. Здесь же показаны наиболее характерные точки бифуркации процесса. Кривые 1 и 2 характеризуют оседание в условиях связного прогиба приповерхностной части массива с несклонными и со склонными к зависанию слоями песчаника соответственно.
В области А размещаются траектории быстрого сдвижения поверхности в режиме провалива-ния разной степени выраженности. Область Б притягивает траектории от несвязного до связного среднего по скорости прогиба породных толщ, смещение которых определяется устойчивостью и несущей способностью слоев глинистого состава. Поле В характеризует относительно медленное оседание в форме от вполне связного до несвязного прогиба и проваливания в условиях недостаточной компетентности склонных к зависанию слоев песчаников.
Область Г отражает связь максимального оседания с вынутой мощностью в условиях подработки толщи в разной степени пластичных или дезинтегрированных (сыпучих) пород, когда осе-
бирает" при этом для конкретного значения вынутой мощности одну из траекторий сдвижения внутри данной области. Значение оседания зависит во многом от состава подработанной толщи, характера чередования в ней слоев различной литологической принадлежности и прочих факторов.
Внутри поля Д размещается пучок траекторий сдвижения в виде от связного прогиба до прова-ливания в условиях недостаточной компетентности склонных к зависанию слоев песчаников.
Прилегающие к кривой 1 траектории характерны для условий, когда подвижность массива определяется свойствами слабо трещиноватых аргиллитов и алевролитов, и они прогибаются вполне связно, а разрыхление массива за счет деформаций пород иного состава и структуры несущественно.
Реализация конкретного сценария сдвижения не поддается точному прогнозированию. Начиная с какой-то определенной точки, развитие процесса может пойти по различным расходящимся траекториям. Так, линии 1 и, особенно, 2 являются местом концентрации точек бифуркации с возможным дальнейшим развитием геоме-ханических событий в направлении стабилизации оседания, либо срыва породной толщи на несвяз-
ный прогиб, либо проваливания приповерхностной части. Вместе с тем применение в качестве решающих правил набора эмпирических предпосылок, подобно приведенным выше характеристикам обстановки для условий Кузбасса, позволяют определить наиболее вероятный ход и результат сдвижения.
Изложенные результаты показывают неадекватность представления поведения массива в ходе сдвижения как чисто механической системы и, соответственно, непродуктивности механистического подхода к решению задач горной геомеха-
ники. Существенным ресурсом повышения качества прогнозов геомеханических преобразований является учет нелинейности деформаций сдвижения в широком смысле, способности породного массива к саморегуляции этого процесса и степени проявления этой способности. Разработка надежных прогнозов оседания земной поверхности предполагает учет вероятного характера сдвижения подработанной толщи на основе анализа предпосылок реализации его альтернативных форм в конкретной обстановке.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях /Минтопэнерго РФ, РАН, ВНИМИ. - СПб, 1998. 291 с.
2. Мохов А.В. Методика прогнозной оценки гидрогеологических условий подработки затопленных выработок на пологих и наклонных пластах каменно-
угольных месторождений: Авто-
реф. дис. канд. геол.-мин. наук. Зеленый: ВСЕГИНГЕО. - 1984. 19 с.
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Заголовок:
Содержание:
Автор:
Ключевые слова: Заметки:
Дата создания:
Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:
Полное время правки: Дата печати:
При последней печати страниц: слов: знаков:
МОХОВ
в:\С диска по работе в универе\01ЛВ_20\01ЛВ12_0\МЛСБТ
С:\и8еге\Таня\АррБа1а\Коат^\Мюго80й\ШаблоныШогта1Ло1т
А
БЖ
30.11.2000 10:24:00 8
10.12.2008 23:31:00 Таня
35 мин.
11.12.2008 0:06:00
6
2 867 (прибл.)
16 344 (прибл.)
