О характере сдвижения верхних слоев подрабатываемого массива горнык пород Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 622.834 С.Б. Кулибаба

О ХАРАКТЕРЕ СДВИЖЕНИЯ ВЕРХНИХ СЛОЕВ ПОДРАБАТЫВАЕМОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

Семинар № 2

Исследование процесса сдвижения массива горных пород с целью создания новых более совершенных методов прогноза его влияния на состояние подземных горных выработок является одним из эффективных путей решения проблемы их безремонтной эксплуатации.

Весь подрабатываемый массив горных пород принято делить на ряд зон, в каждой из которых процесс сдвижения имеет свои особенности. Исторически сложилось так, что наиболее исследованными из них оказались зоны, расположенные в окрестностях разрабатываемого пласта, и земная поверхность, т.е. участки массива, где находится большинство охраняемых объектов (основные горные выработки, обслуживающие процесс очистной выемки, а также здания и сооружения на подрабатываемой территории). В то же время, характер сдвижения некоторых участков подрабатываемой породной толщи на сегодняшний день исследован недостаточно.

К одному из таких участков относится приповерхностная зона массива горных пород, в которой расположены устья шахтных стволов и технических скважин, линии метрополитена, различные подземные резервуары и коммуникации. Кроме того, в настоящее время все большее количество шахт в Донбассе проводит отработку ранее законсервированных запасов

угля, залегающих на малых глубинах. В этих условиях геомеханические процессы имеют свои особенности. Так, на рис. 1 показаны графики оседаний массива горных пород, полученные в результате натурных инструментальных наблюдений в вертикальных шахтных стволах при различных условиях их подработки. На графиках можно выделить верхние участки породного массива, которые, в отличие от нижележащих, оседали относительно равномерно, и на которых крепь подработанных стволов не претерпела каких-либо существенных деформаций и нарушений.

Остановимся подробнее на особенностях развития сдвижений и деформаций в приповерхностной зоне подрабатываемого породного массива. Горизонтальные сдвижения массива при пологом залегании пластов и на разрезе по простиранию являются следствием совместного изгиба породных слоев, оказавшихся в зоне влияния очистной выработки. В первом приближении можно провести аналогию между таким видом деформирования пород в начальный период сдвижения (или в краевой части мульды сдвижения) и совместным изгибом системы балок, защемленных с одной стороны (известная теория балок или плит [1, 2]), принимая следующие допущения*:

- в пределах каждого слоя, изгибающегося без расслоений, функция

Рис. 1. Графики оседаний подрабатываемого массива горных пород в условиях шахт: а - "Заря" (Торезантрацит), б - "Центральная Белянка" (Луганскуголь); в -"Глубокая" (Донецкуголь)

горизонтальных сдвижений (в направлении напластования на рассматриваемом разрезе) непрерывна;

- при изгибе слои плотно ложатся друг на друга, функция оседаний является непрерывной;

- в каждом слое, изгибающемся без расслоений, возникает нейтральная линия, первоначальная длина которой при изгибе не изменяется.

Принимая условно равенство мощностей И соседних слоев, изгибающихся без расслоений по внутренним контактам, и предполагая, что нейтральные линии в каждом из них располагаются на одинаковых уровнях, можно придти к следующему соотношению:

€ = И ■ 1, (1)

где € - величина сдвига по направлению напластования на контакте двух слоев в рассматриваемом вертикальном сечении; 1 - наклон изгибающегося слоя в рассматриваемой точке.

Уподобляя сдвижение подрабатываемых породных слоев механизму совместного изгиба балок, необходимо отметить следующее. В общем случае слой горных пород мощностью И, изгибающийся без расслоений, представляет собой пачку породных слоев, величина сил сцепления на контактах между которыми превышает касательные напряжения, возникающие при изгибе. Сам по себе параметр И не является постоянной величиной, а может изменяться в зависимости от радиуса кривизны изгиба. Известно, что при изгибе слоя касательные напряжения возрастают к его середине (а точнее - к его нейтральной линии) по параболическому закону [3]. Поэтому при достаточной величине кривизны эти напряжения могут превысить силы сцепления на одном или нескольких внутренних контактах, вследствие чего по ним произойдут самостоятельные сдвиги. При этом точно не определено положение

нейтральной линии в изгибающемся слое. Как показывают исследования на моделях, эта линия располагается вблизи его нижнего контакта [2], а, следовательно, величина сдвига € в формуле (1) фактически является горизонтальным сдвижением верхней границы изгибающегося слоя.

Возвращаясь к приповерхностной зоне сдвигающегося массива, подчеркнем, что основным отличием верхней пачки его породных слоев является то, что эта "балка" не защемлена - она не пригружена весом вышележащих пород ввиду отсутствия таковых. Учитывая это уникальное качество пачки породных слоев, расположенной непосредственно у земной поверхности, выделим ее в отдельный объект - приповерхностный слой горных пород, и отметим ряд особенностей, которыми, исходя из логики приведенных выше рассуждений, он должен отличаться от всех других нижележащих слоев массива.

Во-первых, этот слой наиболее удален от подрабатывающего угольного пласта, что обуславливает наименьший его изгиб по сравнению с другими слоями, а, следовательно, и наименьшие касательные напряжения в нем.

Во-вторых, отсутствие защемления изменяет геометрию изгиба такой "балки", предоставляя большую степень свободы перемещения ее верхней границе, свободной от пригрузки, что подтверждается экспериментально - горизонтальные сдвижения земной поверхности в сечении по простиранию всегда больше, чем в нижележащей толще породных слоев при прочих равных условиях [2].

В-третьих, горные породы, залегающие вблизи земной поверхности, вследствие агрессивного воздействия ряда факторов, как правило, отличаются по своим физико-механическим

характеристикам от пород нижележащей толщи. Преобладание в верхних слоях слабых выветрелых пород способствует тому, что они не в состоянии передавать нагрузку на большие расстояния и обрушаются при небольших пролетах, вследствие чего породы приповерхностного слоя в процессе его дальнейшей подработки оседают консолидировано при практическом отсутствии относительных вертикальных деформаций [3, 4].

Исходя из перечисленных особенностей приповерхностного слоя, можно сформулировать его основные свойства: отсутствие в его пределах сдвиговых горизонтальных и относительных вертикальных деформаций, локализация максимальных горизонтальных сдвижений на его верхней границе - земной поверхности, и наибольшая относительно нижележащих изгибающихся слоев мощность.

Обратимся к результатам экспериментальных исследований. В процессе подработки клетевого ствола □ 32В лавой пласта И6 на шахте "Заря" ПО "Торезантрацит" [5] нами измерялись фактические сдвижения реперов вертикальной профильной линии, оборудованной в стволе. На вертикальном разрезе околоствольного массива горных пород по простиранию показаны положения очистного забоя подрабатывающей лавы относительно ствола на различные даты инструментальных наблюдений (рис. 2). Здесь же приведены графики горизонтальных сдвижений реперов по линии простирания, зафиксированные на даты соответствующих серий наблюдений, анализ которых позволил проследить увеличение горизонтального сдвижения верхнего участка ствола во времени в начальной стадии изгиба приповерхностного слоя при движении очистного забоя. Из графиков следует, что наибольшие горизонтальные

Рис. 2. Вертикальный разрез по простиранию пласта И6

сдвижения массива по оси ствола происходили на земной поверхности, постепенно уменьшаясь до нулевых значений с увеличением глубины до отметки приблизительно 50 м. Наблюдаемый характер горизонтальных сдвижений массива позволяет предположить, что в данном случае мы имеем дело с верхней пачкой породных слоев, изгибающейся без расслоений.

При сравнении графиков вертикальных и горизонтальных сдвижений верхней части рассматриваемого ствола (см. рис. 1, а и рис. 2) можно видеть, что в данном случае верхний участок подрабатываемого породного массива до глубины приблизительно 50 м обладает описанными выше свойствами приповерхностного слоя.

Некоторые свойства, проявляемые приповерхностным слоем в процессе сдвижения горных пород, ранее приписывались наносам и меловым отложениям [6,7]. На графиках, приведенных на рис. 1 и 2, показаны нижние границы наносов, по которым проходит их контакт с коренными породами на исследуемых участках. Очевидно, что в каждом из рассмотренных случаев мощность приповерхностного слоя значительно (в несколько раз) превышает мощность наносов.

Принимая во внимание то, что нижняя граница приповерхностного слоя, определяемая его мощностью, разделяет собой подрабатываемый массив на зоны с активным и неактивным проявлением сдвижений и

•

•

\ \ \ \ • •

• 9 / / У"

У •

•

200 300 400 500 600 700

Рис. 3. Распределение фактических значений мощности приповерхностного слоя М в зависимости от кратности подработки земной поверхности Н/т

деформаций, прогноз ее локализации представляет собой несомненный практический интерес. В частности, в условиях подработки, когда мощность приповерхностного слоя превышает глубины вертикальных стволов, охрана последних не потребует оставления предохранительных целиков ввиду отсутствия в околоствольном массиве относительных вертикальных и межслоевых сдвиговых деформаций.

Теоретический расчет мощности слоя, изгибающегося без расслоений, является весьма сложной задачей горной геомеханики, поэтому более перспективным с нашей точки зрения является эмпирический подход к этой проблеме. Так, на рис. 3 показан график распределения фактических значений мощности приповерхностного слоя М, установленных экспериментально по результатам инструментальных наблюдений в подрабатываемых стволах, в зависимости от кратности подработки земной поверхности Н/т. Значительный раз-

брос точек на графике свидетельствует о том, что рассмотренный параметр Н/т не является единственным фактором, влияющим на мощность приповерхностного слоя, хотя и прослеживается определенная тенденция. К другим влияющим факторам, очевидно, относятся такие, как литологический состав этого слоя, физико-механические свойства составляющих его породных слоев, размеры подрабатывающей очистной выработки и др., которые требуют дополнительных исследований.

Выводы

В подрабатываемом слоистом массиве горных пород в условиях пологого залегания, а также при наклонном залегании в сечении по простиранию пластов, образуется приповерхностный слой, представляющий собой в общем случае пачку породных слоев, изгибающихся без расслоений по внутренним контактам, и обладающий важным отличительным свойством - отсутствием межслоевых

сдвиговых и относительных вертикальных деформаций. Мощность приповерхностного слоя может в несколько раз превышать мощность на-

1. Кузнецов Г.Н. Взаимодействие боковых пород и крепи в очистных выработках пологопадающих пластов каменного угля // Исследования по вопросам маркшейдерского дела. Сб. тр. ВНИМИ № XXVII. - М.: Уг-летехиздат. - І953. - С. 264-302.

2. Земисев В.Н. Расчеты деформаций горного массива. - М.: Недра, 1973. - 144 с.

3. Кратч Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений. - М.: Недра, 1978. - 494 с.

4. Кулибаба С.Б. Исследование скорости распространения процесса сдвижения в подрабатываемом массиве горных пород // Вісті Донецького гірничого інституту. -2004. - № 1. - С. 78 - 82.

носов и зависит от ряда факторов, в частности, от степени влияния очистной выработки на верхние породные слои.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5. Кулибаба С.Б. Об изменении концепции охраны вертикальных шахтных стволов // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія гірничо-геологічна. - Донецьк: ДонНТУ. -2003. - Вип. 62. - С. 121 - 135.

6. Сдвижение горных пород при подземной разработке угольных и сланцевых месторождений / Акимов А.Г., Земисев В.Н., Кацнельсон Н.Н. и др. - М.: Недра, 1970. - 224 с.

7. Акимов А. Г. Некоторые данные о сдвижениях горных пород и способах их расчета // Сб. тр. ВНИМИ № XXXII. - Д.: Углетехиздат. - 1958. - С. 93-107.

— Коротко об авторах---------------------------------

Кулибаба С.Б. - УкрНИМИ НАН Украины, Донецк, Украина.

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ Ä П ^ L L Г 1 АМПП

Автор Название работы Специальность Ученая степень

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

СТАРЦЕВ Олег Иванович Оптимизация расхода топлива двигателями геологоразведочных самоходных буровых установок 25.00.14 к.т.н.