Факторы, влияющие на процесс сдвижения горных пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

При проведении подземных горных выработок (особенно очистных) образуются большие полости, вызывающие нарушение естественного равновесия вышележащих слоев пород, которые деформируются и перемещаются в сторону выработанного пространства, стремясь заполнить его. Этот процесс принято называть сдвижением горных пород.

При выемке залежи полезного ископаемого на участке часть массива, подвергшаяся деформациями перемещениям под влиянием подземной горной выработки, называется областью сдвижения горных пород. Процесс сдвижения распространяется от выработанного пространства к низу и к верху, и при некотором соотношении размеров выработанного пространства и глубины горных работ область сдвижения достигает земной поверхности

При разработке угольных месторождений учитываются следующие факторы, влияющие на параметры процесса сдвижения: вынимаемая мощность пласта, глубина горных разработок и угол падения пород, строение горного массива и физико-механические свойства пород, степень нарушенности массива горными выработками, взаимное расположение выработок в свите пластов, размеры выработанного пространства и целика угля (пород), оставленного под наносами, мощность наносов (рыхлых отложений).

угольный месторождение горный порода

1. Влияние вынимаемой мощности пластов, глубины горных разработок и угла падения пород

Вынимаемая мощность пластов m и глубина горных разработок Н оказывают наиболее существенное влияние на величины и характер процесса сдвижения. От вынимаемой мощности пласта в значительной мере зависят параметры различных зон, образующихся в массиве и на земной поверхности.

Чем больше мощность вынимаемой залежи, тем интенсивнее развивается процесс сдвижения горных пород, тем более преобладает процесс обрушения. Величина деформаций в мульде сдвижения находится в прямой зависимости от мощности вынимаемой залежи

Все виды сдвижений и деформаций в подработанном массиве в той или иной степени пропорциональны вынимаемой мощности полезных ископаемых, которая является основным фактором при оценке высоты зоны обрушения, образовании воронок и провалов на земной поверхности, определении высоты зоны водопроводящих трещин, величин максимального оседания, горизонтальных сдвижений и деформаций земной поверхности.

Влияние угла падения пород и залежи сказывается на многих параметрах процесса сдвижения горных пород и земной поверхности. От угла падения залежи зависит величина углов граничных, сдвижения, разрывов. При пологом залегании пород обычно преобладает прогиб их, при крутом -- обрушение со сдвигом по напластованию. В первом случае на поверхности земли в мульде сдвижения развиваются большие по величине оседания и меньшие горизонтальные перемещения, во втором случае горизонтальные сдвижения в 1,5--2 раза превышают вертикальные оседания.

С увеличением глубины разработки конфигурация мульды сдвижения становится настолько плавной, что обнаружить ее на поверхности можно только инструментально. При прочих равных условиях с увеличением глубины разработки величина деформаций быстро уменьшается, а продолжительность процесса сдвижения растет.

Увеличение глубины горных разработок приводит к изменению характера процесса сдвижения. При небольших глубинах разработки в зону беспорядочного обрушения пород попадают значительные участки земной поверхности, а процесс сдвижения характеризуется большими скоростями и может происходить с образованием трещин, террас и значительных деформаций.

Увеличение глубины горных разработок вызывает уменьшение максимальных деформаций земной поверхности и их скоростей, увеличение зоны влияния горной выработки, уменьшение трещин и существенных разрывов сплошности пород. В то же время, увеличение глубины разработки может способствовать микросдвигам по отдельным ослабленным контактам и образованию небольших трещин. Вместе с тем сосредоточенные деформации, вызванные влиянием слабых контактов, при большой глубине разработки прослеживаются более рельефно на фоне небольших сглаженных деформаций.

Система разработки слагается, как известно, из принятого способа подготовки месторождения к выемке, размеров очистной выемки и оставляемых целиков, способа управления кровлей. Все эти элементы системы разработки существенно сказываются на развитии процесса сдвижения.

Сплошная система разработки в сочетании с большими размерами очистной выемки способствует проявлению сдвижения пород в виде плавного прогиба. Столбовая система разработки способствует развитию процесса обрушения. При этом оседание поверхности часто происходит неравномерно и сопровождается трещинами. Камерная система при значительных размерах междукамерных целиков может задержать развитие процесса сдвижения. При незначительных размерах междукамерные целики разрушаются, что приводит к развитию процесса обрушения с образованием воронок провалов

Зависимости угловых параметров процесса сдвижения от глубины разработки и вынимаемой мощности залежей полезных ископаемых четко не определены. В определенной мере граничные углы и углы сдвижения зависят от вынимаемой мощности полезных ископаемых т и глубины горных разработок H, однако изменения этих параметров при широком диапазоне значений m и Н незначительны, за исключением граничных углов, определяемых по величинам оседаний земной поверхности , равных 15--20 мм.

Граничные углы на разрезах по простиранию, определяемые по оседаниям , при больших глубинах разработки могут быть на 15--20° меньше, чем при глубинах разработки до 300 м.

2. Влияние горного массива и физико-механических свойства пород

Строение и физико-механические свойства горных пород оказывают значительное влияние на характер и параметры процесса сдвижения. При слабых или тонкослоистых породах процесс сдвижения имеет плавный характер; сдвижение горных пород происходит без значительных зависаний и разрывов сплошности. При тонкослоистых породах с хорошо выраженными контактами между различными слоями связь между основными угловыми параметрами , и углом падения пласта достаточно высока. Увеличение угла падения до 60--65° приводит к пропорциональному уменьшению граничного угла , угла сдвижения и угла максимального оседания ; максимальное оседание земной поверхности уменьшается пропорционально cos , где -- угол падения пород. Чем меньше рассланцованы горные породы, тем меньше связь между углом падения пластов и угловыми параметрами процесса сдвижения. Так, например, в Донецком угольном бассейне, где массив сложен тонкослоистыми породами, такая связь значительно выше, чем в Кизеловском угольном бассейне. Крепость массива пород и связанные с крепостью деформационные характеристики оказывают влияние на отдельные параметры процесса сдвижения. При увеличении крепости пород увеличиваются в свою очередь углы сдвижения по простиранию , максимальные значения которых при крепких вмещающих породах (Кизеловский и Донецкий угольные бассейны) составляют = 85°, а при слабых вмещающих породах (Подмосковный угольный бассейн) = 55°.

Аналогично изменяются граничные углы от = 70° (Кизеловский. Донецкий бассейны) до = 45° (Подмосковный угольный бассейн). Следует иметь в виду, что на величины параметров процесса сдвижения оказывают влияние не только крепость пород и мощность слагающих слоев, но и уровень действующих в массиве напряжений, который зависит от глубины горных разработок. Поэтому для оценки влияния структурных и прочностных характеристик массива на параметры процесса сдвижения правильнее использовать безразмерные относительные показатели где -- среднее весовое значение предела прочности горных пород при одноосном сжатии; Н -- глубина разработок; -- среднее весовое значение объемного веса пород; h -- средний размер структурных блоков (слоя), из которых состоит горный массив. Эти показатели могут быть использованы для классификации горных массивов по характеру процесса сдвижения.

Крепость массивов горных пород оказывает влияние на размеры выработанного пространства, при которых сдвижение горных пород распространяется до земной поверхности и наступает полная подработка. Для месторождений, сложенных слабыми породами, размер выработанного пространства, при котором сдвижение распространяется до земной поверхности, составляет

D = 0,10,2 ,

где -- средняя глубина горных разработок. При крепких вмещающих породах 0,30,4 .

Полное развитие процесса (полная подработка земной поверхности) при слабых породах наступает, когда размер очистной выработки составляет D = 0,91,2 , при крепких породах-- когда D = l,42 .

3. Влияние подработок горного массива очистными выработками

Количество подработок горного массива очистными выработками оказывает существенное влияние на величины и характер процесса сдвижения земной поверхности.

В тех случаях, когда горный массив неоднократно подрабатывался горными выработками в одном и разных пластах, говорят о многократной подработке горного массива.

Многократная подработка вызывает уменьшение сцепления горных пород по контактам, что приводит к проявлению деформаций по этим контактам и образованию уступов в полумулъдах по падению и восстанию пластов, сдвижению пород по плоскостям ослаблений, неравномерному распределению сдвижений и деформаций в мульде сдвижения. Многократная подработка может привести к изменению свойств горного массива; в ряде зон возникают пустоты, которые при последующей подработке другими выработками ликвидируются, вызывая активизацию процесса сдвижения на определенных участках.

Под активизацией процесса сдвижения толщи горных пород и земной поверхности понимают изменение характера и величин процесса сдвижения при разработке пласта смежными выработками или при повторных подработках по сравнению с характером и параметрами процесса сдвижения от одиночной выработки при первичной подработке.

При разработке свит пластов, вследствие активизации процесса сдвижения и необратимого изменения свойств горного массива, нарушается принцип сложения сдвижений и деформаций от каждой выработки как независимых составляющих, т. е. влияние каждой выработки становится неоднозначным в зависимости от очередности ее прохождения и положения относительно других ранее пройденных выработок. В простейших случаях активизация учитывается в методах расчета сдвижений и деформаций.

4. Влияние на сдвижение системы разработки, способа управления горным давлением, размера выработанного пространства, скорости развития очистных работ

Системы разработки и способ управления горным давлением, размеры выработанного пространства, скорость развития очистных работ также оказывают влияние на величины сдвижений и деформаций земной поверхности, которые необходимо учитывать. Системы разработки, при которых возможен перепуск пород по падению (например, щитовые), способствуют образованию провалов на выходах пластов и уменьшению сдвижений пород в висячем боку. Применение камерных систем разработки, систем с ограниченными размерами выработанного пространства и оставлением целиков полезных ископаемых приводит к уменьшению скоростей процесса сдвижения или длительному зависанию горных пород и полному прекращению их сдвижения на сроки, соответствующие периодам эксплуатации месторождения. В той или иной мере системы горных разработок оказывают влияние на отдельные параметры процесса сдвижения. Применение закладки выработанного пространства уменьшает сдвижения и деформации горных пород и земной поверхности. Вместо вынимаемой мощности пластов и залежей для прогноза сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности используют так называемую эффективную мощность пластов. Эффективной мощностью пластов (залежей) называется мощность, применяемая для оценки и расчета сдвижений и деформаций горных пород и земной поверхности. Эффективная мощность включает сближение (конвергенцию) пород до возведения закладки, расстояние от верха закладочного массива до кровли (полнота закладки) и величину уплотнения закладки под влиянием давления вмещающих пород. Величина эффективной мощности зависит от применяемых закладочных материалов, технологии горных и закладочных работ, скорости подвигания очистных забоев, свойств вмещающих пород и других факторов. Коэффициент усадки (уплотнения) закладки равен

,

где h - высота закладочного массива после уплотнения;

- высота закладочного массива до уплотнения, зависящая от пористости и компрессионных свойств применяемого материала закладки, нагрузки на нее (глубины горных разработок) и времени. Коэффициенты усадки реальных закладочных материалов изменяются в пределах от единиц до нескольких десятков процентов.

Наиболее целесообразными системами горных работ, способствующими уменьшению деформаций земной поверхности в отдельных зонах, являются либо сплошная бесцеликовая выемка полезных ископаемых, создающая минимум участков на поверхности с концентрацией деформаций, либо система горных работ с оставлением регулярных ленточных целиков определенных размеров и ограничением размеров отдельных очистных выработок, которая препятствует полному развитию процесса сдвижения и уменьшает деформации земной поверхности в несколько раз. Недостатком последней системы является значительное увеличение потерь полезного ископаемого в недрах (до 40-50 %). Применение разнообразных систем разработки основано на характерных особенностях влияния размеров выработанного пространства на величины сдвижений и деформаций земной поверхности. Анализ результатов наблюдений за развитием процесса сдвижения показывает, что сдвижения земной поверхности при отношении размеров выработанного пространства к средней глубине горных разработок < 0,3 не превышают 3-50 % от их максимальных значений при полной подработке, при = 0,3 0,7 они составляют 50-80%), а когда > 0,7, величины сдвижений и деформаций составляют 80-100%. На величины сдвижений и деформаций оказывают влияние как размеры выработанного пространства вкрест простирания, так и по простиранию пластов.

5. Влияние очистных работ на величины сдвижений

Очистные работы также оказывают влияние на величины сдвижений и деформаций земной поверхности, и прежде всего на их скорости, причем примерно пропорционально скоростям развития очистных работ возрастают скорости оседаний и деформаций земной поверхности. При больших скоростях развития процесса сдвижения меньше проявляются процессы ползучести в коренных породах и наносах (рыхлых отложениях, залегающих у поверхности), что приводит к концентрации деформаций земной поверхности на отдельных участках и образованию трещин. С другой стороны, увеличение скоростей протекания процесса сдвижения способствует сокращению периода опасных деформаций земной поверхности и сроков ремонта подрабатываемых объектов. Под периодом опасных деформаций земной поверхности понимается промежуток времени, в течение которого проявляется вредное влияние подземных разработок на сооружения и природные объекты. Основным требованием к скорости развития горных работ под охраняемыми объектами является обеспечение возможности своевременного выполнения комплекса ремонтных работ охраняемых объектов.

Замечено, что равномерное подвигание забоев способствует равномерному оседанию поверхности, и наоборот. При остановках забоя плавность процесса сдвижения пород иногда нарушается до такой степени, что породы разламываются над забоем и образовавшиеся трещины доходят до поверхности земли. Равномерное быстрое подвигание очистных забоев способствует плавному прогибу подработанных участков поверхности и быстрому подвиганию края мульды сдвижения под подрабатываемыми объектами, если последние попадают на дно мульды.

Нарушенность толщи пород ранее проведенными горными работами существенно отражается на ходе процесса сдвижения при повторных ее подработках. В этих случаях процесс сдвижения активизируется, т. е. параметры, характеризующие процесс сдвижения, отличаются от параметров при первичной подработке. Так, величина оседания получается большей, угол сдвижения -- меньшим по абсолютному значению, деформации в мульде сдвижения развиваются несколько больше.

6. Влияние мощностей наносов

Мощность наносов (слой рыхлых отложений, залегающий у земной поверхности) оказывает основное влияние на характер распределения и величины горизонтальных составляющих сдвижений и деформаций земной поверхности и уступов. В различных горно-геологических условиях наносы проявляются по-разному.

При небольших деформациях земной поверхности (до появления разрывов и трещин) наносы сглаживают неравномерные составляющие деформаций, которые возникают на контакте коренных пород и наносов под влиянием горных разработок. В этих условиях наносы приводят к уменьшению концентраций деформаций на выходах слабых контактов, сместителей дизъюнктивных нарушений и т. д. При увеличении деформаций коренных пород в наносах могут возникнуть недопустимые трещины, так как наносы увеличивают горизонтальные деформации земной поверхности в отдельных зонах при их изгибе. Изгиб наносов происходит в некоторой степени аналогично изгибу тонкой плиты (балки). При наклонном и крутом залегании пластов наносы определенным образом преобразуют распределение сдвижений и деформаций на контакте с коренными породами, которое имеет специфические особенности в полумульдах по падению и восстанию пород.

7. Влияние геологических нарушений

Геологические нарушения тоже действуют на характер и параметры процесса сдвижения, вызывая концентрации деформаций в районе выходов сместителей, изменение в отдельных случаях формы мульд сдвижения и ее положения относительно выработанного пространства. При подработке крутопадающих сместителей нарушений происходит сдвиг пород по плоскости сместителя, вследствие чего уменьшается длина полумульды и значительно возрастают все виды деформаций земной поверхности (см. рис. 1, а). То же можно сказать о деформировании земной поверхности в районе выхода согласнопадающего нарушения с образованием трещин и уступов (см. рис. 1, б).

Геологическое строение толщи (литологический состав, последовательность и мощность напластований) и обводненность ее в значительной мере предопределяют основные стороны процесса сдвижения. Наличие в геологическом строении толщи месторождения напластований из крепких пород способствует развитию процесса обрушения, напластования из пластичных пород - развитию прогиба. Мощные напластования крепких пород задерживают развитие процесса сдвижения. Обводненность способствует изменению физико-механических свойств горных пород, в частности увеличению пластичности, явлению текучести, особенно в наносах, и пучению.

Тектонические нарушения, трещиноватость часто являются направляющими плоскостями сдвижения пород. Вдоль этих плоскостей породы ослабляются и перемещаются, а это иногда приводит к искажению действительных величин углов сдвижения. Наличие трещиноватости пород, плоскостей спайности, кливажа не дает оснований рассматривать толщу горных пород как сплошную однородную упругую среду.

Приведем случаи подработки сместителей дизъюнктивных нарушений, когда происходит увеличение или изменение размеров мульды сдвижения на земной поверхности. Если точка пересечения сместителя нарушения располагается в полумульде по восстанию пласта (в породах висячего бока), то подработка сместителя нарушения может вызвать увеличение размеров зоны опасного влияния за счет сползания клина пород 2--4--5 по плоскости сместителя нарушения и контакту пласта с вмещающими породами висячего бока (рис. 1, а). При расположении сместителя нарушения в подстилающих породах (рис. 1, б) и подсечении его горными работами аналогичное увеличение размеров мульды сдвижения может произойти вследствие сползания подстилающих пород по плоскости сместителя 5--2 и плоскости пласта 5--4.

Рис. 1. Схема определения границ зон опасного влияния при наличии тектонических нарушений: 1-2 - зона опасного влияния с учетом нарушения; 1-3 - зона опасного влияния без учета нарушения.

Влияние рельефа поверхности на процесс сдвижения горных пород сказывается при подработке крутых склонов, особенно гор и холмов. В этих случаях на крутых склонах появляются так называемые заколы, т. е. резко выраженные глубокие трещины. Заколы отделяют нижнюю часть склона от верхней, причем нижняя часть может получить значительные смещения.

9. Благоприятные и не благоприятные факторы

К благоприятным факторам относятся:

1) наличие над выработанным пространством пород, обладающих способностью прогибаться;

2) отсутствие под подрабатываемыми объектами тектонических нарушений;

3) пологое залегание разрабатываемой залежи и пород;

4) незначительная мощность разрабатываемого пласта или залежи;

5) закладка выработанного пространства;

6) сплошная система разработки со значительными размерами площади очистной выемки;

7) большая величина отношения глубины разработки к мощности вынимаемого полезного ископаемого (Н : m);

8) равномерная и быстрая выемка полезного ископаемого;

9) спокойный рельеф земной поверхности и значительные по мощности наносы.

К неблагоприятным факторам относятся:

1) наличие над выработанным пространством пород, обладающих способностью обрушаться или склонных к течению;

2) наличие под подрабатываемыми объектами тектонических нарушений;

3) крутое падение пород;

4) большая мощность разрабатываемого пласта или залежи;

5) камерные и столбовые системы разработки с обрушением кровли;

6) небольшая величина отношения глубины разработки к мощности вынимаемой залежи (Н :m);

7) неравномерное и медленное подвигание очистного забоя;

8) резко выраженный рельеф земной поверхности и малая мощность наносов.

Выводы

Проявление процесса сдвижения является функцией многих факторов, которые в совокупности отображают влияние горно-геологических (глубина, угол падения пласта, мощность покрывающих пород, физико-механические свойства массива), технологических (управление горным давлением, закладка выработанного пространства, скорость движения очистного забоя) и геометрических (контур и размеры очистной выработки) условий подработки.

Одной из основных задач при рассмотрении вопросов безопасной подработки объектов на земной поверхности является определение прогнозных величин сдвижений и деформаций для выбора мер охраны сооружений, находящихся в зоне влияния очистных работ. Эта задача может быть решена с довольно высокой точностью лишь в том случае, если будут учтенные все влияющие факторы, а также их совместное действие. На данном этапе развития науки о процессе сдвижения горных пород и земной поверхности установить зависимости всех факторов не представляется возможным. В связи с этим для расчета ожидаемых величин сдвижений и деформаций и решения других задач горнодобывающие районы были объединены в группы с подобными горно-геологическими условиями, а исходные параметры процесса сдвижения, полученные по результатам натурных наблюдений, в них усреднены.

Список использованной литературы

1. Маркшейдерское дело: Учеб. Для вузов - В двух частях М 25/ Под ред. И.Н. Ушаков. - М: Недра, 1989. - 437с.:

2. Ларченко В. Г. Маркшейдерское дело. Конспект лекций.

3. Д.Н. Оглоблин, П.П. Бастан, Г.И. Герасименко. Маркшейдерское дело. Издание 2-е, переработанное и дополненное. М. «Недра», 1972. 584с. (461-465 стр.)

Размещено на Allbest.ru