Развитие методов оценки влияния горных работ на подрабатываемые здания и сооружения Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© М.А. Иофис, А.В. Гришин, 2012

УДК 622.638: 622.363.2 М.А. Иофис, А.В. Гришин

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ НА ПОДРАБАТЫВАЕМЫЕ ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

Рассмотрен вопрос возможности применения метода «типовых кривых» для оценки влияния горных работ на подрабатываемые объекты при различных глубинах техногенного преобразования недр. Предложена формула расчета значений допустимых деформаций в зависимости от глубины ведения горных работ, расчетным путем показано как изменяется величина допустимой деформации для объектов, расположенных на глубинах 300-500 м, в диапазоне 10-1200 м.

Ключевые слова: сдвижение горных пород, относительные деформации, прогноз, релаксация, горные работы, типовые кривые, метод оценки.

Увеличение нагрузки на недра, связанное с освоением месторождений полезных ископаемых, приводит к тому, что значительные территории пригодные для проживания человека и осуществления им хозяйственной деятельности, оказываются подработанными горными работами. Для обеспечения безопасного функционирования подрабатываемых объектов законодательно закреплено геомеханическое обоснование возможности их подработки и дальнейшее их геомеханическое сопровождение.

Под геомеханическим обеспечением освоения земных недр понимается решение задач устойчивости подземных объектов, прогноза и контроля деформирования вмещающих их пород и земной поверхности, определение влияния подземных объектов на окружающую их природную среду и инженерные сооружения как в период строительства и эксплуатации объектов, так и в период их реконструкции и особенно - ликвидации. Основной целью геомеханического обеспечения является предотвращение аварийных ситуаций при освоении недр, повышение безопасности и эффективности горных работ, обеспечение сохранности и нормальной эксплуатации зданий, сооружений и инженерных сетей, попадающих в зону их влияния, и охрана природной среды [1].

Существует ряд методов определения степени влияния техногенного преобразования недр на подрабатываемые природные и инженерные объекты, которые, в зависимости от способа получения расчетных формул и степени их обоснованности, подразделяются на теоретические, эмпирические и полуэмпирические.

В инженерной практике используются в основном эмпирические и полуэмпирические методы расчета. Эмпирические методы базируются на зависимостях, полученных непосредственно из результатов инструментальных наблюдений, проводимых в районе, для которого составляется прогноз ожидаемых деформаций. Полуэмпирические методы основаны на зависимостях, установленных на основании обобщений, теоретических соображений и математических аналогий, числовые значения параметров которых определяются по данным натурных наблюдений.

В настоящее время, для оценки влияния горных работ на подрабатываемые здания и сооружения большое распространения получил метод определения ожидаемых сжвижений и деформаций -метод типовых кривых [2], разработанный в 1952 г. А.Н. Медянце-вым М.А. Иофисом, и др. в условиях освоения угольных месторождений Донбасса. Согласно этому методу ожидаемые величины сдвижений и деформаций распределяются в пределах мульды сдвижения, поделенной на равные отрезки, и их значения определяются по формулам:

- оседания / = ^^ (г), (1)

- наклоны /х = ±/ах 5 '(г), (2)

- кривизна к =—5 "(г), (3)

х Ь2

- горизонтальные сдвижения = 0,5а0цт^(2), (4)

- горизонтальные деформации ех = F'(z), (5)

где /х, /х, Кх, £х - соответственно оседание, наклон, кривизна, горизонтальное сдвижение и относительная горизонтальная деформация в точке с абсциссой X (начало координат в точке максимального оседания); /тах - максимальное оседание; Z = Х/Ь; Ь -длина полумульды, определяемая графически; ао - отношение величины максимального горизонтального сдвижения к максимальному оседанию при полной подработке, горизонтальном залегании

и закончившемся процессе сдвижения; S(z), S'(z), S"(z), F(z), F'(z) -переменные коэффициенты (функциональные зависимости), отражающие характер распределения деформаций в мульде сдвижения. Численные значения этих коэффициентов, вычисленные из данных натурных наблюдений и приведенные во многих нормативных документах.

В результате применения данного метода расчета, по полученным данным, строятся графики распределения величин сдвижения и деформаций в мульде сдвижения и сравниваются с предельными и допустимыми значениями деформаций для подработанных объектов.

Необходимо отметить, что для условий разработки уголь-ных месторождений Донбасса метод «типовых кривых» будет являться эмпирическим методом, так как числовые значения используемых в нем коэффициентов, отражающих характер распределения деформаций в мульде сдвижения и интегрально учитывающие все особенности условий техногенного преобразования недр, были получены в условиях Донбасса.

Для других, отличных от условий Донбасса районов освоения недр, метод «типовых кривых» будет являться полу-эмпирическим методом и его применение в чистом виде далеко не всегда может обеспечить допустимую сходимость результатов расчета деформаций с их реальными величинами.

Поэтому при его использовании необходимо учитывать факторы, влияющие на процесс развития деформаций горных пород и земной поверхности, присущие именно данному рай-ону, в том числе применяемые системы разработки, глубина ведения горных работ, геологические условия, скорость проходческих и очистных работ и т.д.

Методом типовых кривых определяются обычно только величины деформаций и не учитываются скорости их раз-вития, что можно считать допустимым при небольшом диапазоне их изменения, который имел место при создании метода в Донбассе, когда горные работы велись на глубинах 300-500 метров. При увеличении диапазона этих изменений скорость развития деформаций необходимо учитывать, поскольку состояние подрабатываемых зданий и сооружений зависит и от интенсивности протекания деформационных процессов.

Доказано, что при уменьшении скорости деформирования или скорости нагружения горных пород, у них начинают про-являться реологические свойства. На рис. 1 показаны соответ-ствующие участки диаграмм деформирования, при быстром (график 1) и медленном (график 2) деформирования горных пород в условиях одноосного нагружения. Если испытания, осуществляемые по диаграмме 1, остановить в точке а и обес-печить режим заданной нагрузки на длительное время, при этом не ограничивать деформации образца, то в таком случае наблюдается процесс ползучести горных пород, который при-водит к увеличению деформаций до уровня, показанного на графике 2 точкой в. Если же в обозначенных условиях обеспе-чить режим заданных деформаций, то в этом случае наблюда-ется процесс релаксации напряжений, который приводит к их уменьшению до уровня, обозначенного на гра-фике 2 точкой с. Если же в испытаниях по диаграмме 1 в точке а значительно уменьшить скорость деформирования, то наблюдаются одно-временно процессы ползучести и релаксации, которые увеличивают деформации и снижают напряжения до уровня соответствующего точки d диаграммы 2. При уменьшении скорости деформирования наблюдается снижение предельной несущей способности образцов горных пород, т.е. снижение их проч-ности [3].

Из изложенного следует, что значения допустимых деформаций при разных глубинах техногенного преобразования недр должны отличаться, так как с увеличением глубины горных работ, скорости развития деформаций снижаются, поэтому больше будут преобладать процессы релаксации и соответственно количественные значения допустимых деформаций должны быть увеличены. При ведении горных работ на малых глубинах, деформационные процессы развиваются с гораздо большими скоростями, чем при аналогичных работах на больших глубинах, соответственно и значения допустимых деформаций в этих условиях должны быть меньше.

Использование для оценки влияния на подрабатываемые объекты горных работ, осуществляемых на сверх больших или очень малых глубинах, значений допустимых деформаций, полученных в условиях Донбасса при техногенном преобразовании недр на глубинах от 300 до 500 м - некорректно.

6/2 6,с

/

- -А/и!

~Т~Хс 1 1 //1 1 ! // 1 1 1 / 1 ! 1 е

\ \ 1 1 ( II!

Это связанно также и с тем, что числовые значения переменных коэффициентов, отражающие характер распределения деформаций в мульде сдвижения были получены по данным инструментальных наблюдений проводимых на наблюдательных станциях с интервалом между реперами 15-20 м, соответствующих, примерно, 0,1 длины полумульды сдвжения.

Аналогично величины ожидаемых сдвижений и деформаций, полученные по формулам с использованием приведенных коэффициентов, также справедливы только для указанных интервалов между реперами и для обозначенного диапазона глубин ведения горных работ.

Из рис. 2 видно, что на размер полумульды существенное влияния оказывает глубина ведения горных работ, чем она больше, тем больше длина полумульды, соответственно тем на большие отрезки она будет разбиваться в соответствии с методом распределения деформаций по «типовым кривым».

Для получения значений допустимых деформаций в зависимости от глубины техногенного преобразования недр наиболее отвечает указанным требованиям следующая формула

СШ €>6

Рис. 1. Экспериментальная диаграмма длительного деформирования горных пород: 1 - диаграмма быстрого деформирования; 2 - диаграмма медленного деформирования

= £„

0,1£

~20~

(1)

где £пр. - значение допустимой горизонтальной деформации, приведенное в правилах охраны [4] для условий Донбасса; Ь - длинна полумыльды; 20 - расстояние между реперами по которым определено 8пр

Полученные в результате расчета по формуле (1) значения допустимых горизонтальных деформаций для различных глубин

техногенного преобразования недр, приведены в таблице, где показано как изменяется величина допустимой деформации для объектов, расположенных на глубинах 300-500 м, в диапазоне 10-1200 м.

По полученным в результате расчета значениям деформаций для ширины лавы равной 50 и 75 м построены графики изменения величин предельных горизонтальных деформаций от глубины техногенного преобразования недр (рис. 3).

Из графиков изменения величин допустимых горизонтальных деформаций видно, что с изменением глубины ведения горных работ от 10 до 1200 м их значения изменяются почти в

Н (м) Д/2 (м) 0,36Н L 0,^ V 20 £ 10-3

10 3,6 53,6 0,52 1,6

50 18 68 0,58 1,7

100 36 86 0,65 1,9

200 75 125 0,79 2,4

300 108 158 0,89 2,7

400 144 194 0,98 2,9

500 50 180 230 1,07 3,2

600 216 266 1,15 3,4

700 252 302 1,23 3,7

800 288 338 1,3 3,9

900 324 374 1,37 4,1

1000 360 410 1,43 4,3

1100 396 446 1,49 4,5

1200 432 482 1,55 4,6

I

0,364

////^/////А V//// И Д/Е '/// //// /Г// ///У

■■. \ \ \ \

л

Рис. 2. Схема определения параметров мульды сдвижения: Д - ширина лавы; Н - глубина ведения горных работ; L - длина полумульды

ср

О

200

400

600 Н,м

800

1000

1200

Рис. 3. Зависимость изменения величин предельных горизонтальных деформаций от глубины техногенного преобразования недр:

1 - Значения, полученные при ширине лавы 75 м; 2 - значения, полученные при ширине лавы 50 м

три раза, что свидетельствует о необходимости при оценке влияния горных работ на состояние подрабатываемых зданий и сооружений учитывать скорость развития деформаций.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород. - Л.: Недра, 1977. - 503 с.

2. Певзнер М.Е., Иофис М.А., Попов В.Н. Геомеханика. - М.: Изд-во МГГУ, 2005. - 437 с.

3. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов. - М.: Недра, 1988. - 271 с.

4. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных работ на угольных месторождениях. - СПб., 1998. - 291 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Иофис М.А. - профессор доктор технических наук, Гришин А.В. - кандидат технических наук,

Учреждение Российской академии наук Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук (УРАН ИПКОН РАН).