Особенности развития процесса сдвижения для различных типов месторождений

Характер и параметры процесса сдвижения в значительном мере определяются строением и свойствами массивов пород. < этой точки зрения все массивы месторождений можно разделить на два основных класса: массивы слоистого строения и массивы неслоистого строения.

К первому классу, т. е. массивам слоистого строения, относя и ч все угольные и сланцевые месторождения и более 60 % рудных месторождений.

В свою очередь, в зависимости от форм залегания и угла падения слоев в этом классе выделяется четыре группы месторождений:

• с горизонтальным и пологим залеганием;

• наклонным и крутым залеганием;

• складчатым залеганием;

• несогласным залеганием.

Для данного класса месторождений процесс сдвижения изучен наиболее полно, и в самом общем случае вокруг выработанного пространства может быть выделено несколько зон с различным характером процессов сдвижения и деформирования пород.

Чем сложнее задачи и выше степень изученности деформационных процессов, тем детальнее составляются схемы сдвижения и на большее число зон разбивается деформированный массив. Современное состояние изученности вопроса позволяет выделить в деформирующемся массиве три области и 16 зон (в условиях крутых пластов 17 зон), отличающихся особенностями, свойственными только для этих зон (рис. 20.2).

Первая область — область разгрузки — характеризуется пониженными по сравнению с нетронутым массивом нормальными напряжениями, действующими перпендикулярно напластованию. Она располагается над и под выработанным пространством (на рисунке область разгрузки заштрихована горизонтальными линиями) и имеет в сечении форму двух полуэллипсов, общая ось которых равна ширине очистной выработки D.

Величины полуосей, характеризующих полуэллипсы в подработанной и надработаннои частях массива, определяются размерами

20.2. Схемасдвижения горных пород при разработке пластов:1—16— зоны деформирования

очистной выработки, углом падения и вынимаемой мощностью пласта, глубиной разработки и способом управления горным давлением, литологическим строением и механическими свойствами горных пород. В условиях разработки тонких и средней мощности пологих пластов величина полуоси в подработанной толще составляет обычно от 0,7D до 1,2Д но редко превышает 250 м, а в надработанной толще — примерно 30—40 % величины полуоси в подработанной толще. С увеличением угла падения пород величина полуоси в подработанной толще уменьшается, а в надработанной увеличивается. При угле падения 90° полуэллипсы в подработанной и надработанной толщах становятся одинаковыми.

Горные породы в зоне разгрузки расширяются и смещаются в стороны выработанного пространства. По мере удаления от этого пространства степень расширения пород уменьшается. Расширение пород происходит как за счет упругого восстановления, так и за счет расслоения пород с образованием полостей зависания.

При подработке явление расслоения и зависания пород играет важную роль в общем процессе разуплотнения массива и поэтому весь процесс имеет явно выраженный дискретный характер. Наибольшая неравномерность деформаций наблюдается на контактах слоев разной прочности, особенно если слой, имеющий большую жесткость, залегает над легко прогибающимся или обрушающимся слоем.

При надработке полости расслоения образуются редко и преимущественно при больших углах падения пластов.

Вторая область — область повышенного горного давления(ПГД) или, как ее часто называют, область опорного давления — граничит с областью разгрузки и располагается над и под нетронутым массивом полезного ископаемого или над и под оставленным в нем целиком (на рис. 20.2 область ПГД заштрихована вертикальными линиями). В этой области нормальные к плоскости напластования напряжения больше, чем в нетронутом массиве.

Параметры области опорного давления зависят от глубины горных работ, механических свойств пород, мощности и угла падения пласта, размеров и конфигурации выработанного пространства и ряда других факторов. Ширина области опорного давления в плоскости пласта по данным наблюдений обычно составляет от 0,1Н до 0,ЗН, где Н — глубина горных работ. Большой диапазон изменения этой ширины объясняется не только чувствительностью к ряду влияющих факторов, но и различием методов ее определения и условностью критериев определения.

В одних случаях за границу области опорного давления принимают точки, в которых напряжения равны начальной величине, например γН (где γ — объемный вес налегающих пород), или отклоняются от этой величины не более чем на 5%; в других — принимают точки, скорость смещения которых равна скорости смещения в подобных выработках, проведенных в нетронутом массиве, и т. д.

Часто область опорного давления определяют по ее проявлению в подготовительных и капитальных выработках, попадающих в зону влияния очистных работ. Поскольку жесткость крепей в этих выработках различная, степень влияния опорного давления в них проявляется по-разному. Поэтому из общей области иногда выделяют область вредного влияния, которая определяется с учетом жесткости крепи и условий эксплуатации выработки.

Во многих инженерных расчетах ширину области опорного давления (L) связывают с величиной граничного угла. Так, при определении ее размеров в условиях горизонтального залегания пластов пользуются выражением

L = Н ctg δ₀, (20.9)

где δ₀ — граничный угол.

Согласно этому выражению ширина области опорного давления при постоянном значении граничного угла находится в линейной зависимости от глубины горных работ. Такое допущение справедливо только при небольшом диапазоне изменения глубин. В общем случае эта зависимость нелинейна.

Опорное давление распространяется в породы кровли и почвы пласта. Вниз оно распространяется на расстояние, равное примерно ширине области опорного давления в плоскости пласта, а вверх — на высоту, превышающую это расстояние в 1,2—1,5 раза. Проявления опорного давления в Донецком бассейне наблюдались в породах кровли на расстоянии 170 м от пласта и в породах почвы на расстоянии ПО м. При наличии целиков в выработанном пространстве эти расстояния существенно увеличиваются и достигают 250 м в породах кровли и 150 м в породах почвы.

Третья область — область полных сдвижений— характеризуется перемещением слоев параллельно своему первоначальному положению. Векторы сдвижения в этой области направлены по нормали к напластованию и имеют наибольшие для данных условий (мощность и угол падения пласта, способ управления горным давлением и т. д.) значения. Слои горных пород после окончания процесса сдвижения получают опору на почве вынимаемого пласта.

Область полных сдвижений располагается над выработанным пространством и оконтуривается на вертикальном разрезе вкрест простирания пластов (см. рис. 20.2) линиями, проведенными от границ выработанного пространства под углами полных сдвижений ψ₁и ψ₂. Эти углы зависят от углов падения пластов и от того, в каком месте находится очистная выработка по отношению к старым выработкам.

Если прежние работы вели ниже (по падению) действующей очистной выработки, то угол ψ₁ становится круче, а угол ψ₂ положе, чем при первичной подработке. И наоборот, если работы вели выше (по восстанию), угол ψ₁ выполаживается, а угол ψ₂ становится круче. Значения углов полных сдвижений приведены в действующих правилах охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок.

В зоне 1 (зоне обрушения) (см. рис. 20.2), расположенной непосредственно над очистной выработкой, породы наиболее деформированы и разделены на отдельные куски и мелкие блоки. В практике горного дела высоту этой зоны принимают равной 3...6 т, где т — вынимаемая мощность пласта.

Зона 2 (зона разломов), прилегающая к зоне обрушения, характеризуется развитием в прогибающихся слоях нормально секущих трещин и трещин расслоения, разбивающих массив на крупные блоки и образующих систему сквозных водо- и газопроводящих каналов с малым аэродинамическим сопротивлением, не оказывающим влияния на прохождение по каналам растворов и газов.

В зоне 3 (зоне активных трещин) секущие трещины, идущие от верхней и нижней поверхности изгибающегося слоя, достигают трещины расслоения и создают систему водо- и газопроводящих трещин со значительным аэродинамическим сопротивлением, которое растет пропорционально удалению их от разрабатываемого пласта.

В зоне 4 (зоне локальных трещин) деформации растяжения, вызванные изгибом слоя, достигают критических значений в волокнах, прилегающих к верхней и нижней поверхностям слоя. Чем ближе слой расположен к горным работам, тем глубже распространяются в нем критические деформации. Одновременно под влиянием касательных напряжений, вызываемых изгибом слоя, в нем появляются деформации сдвига и зарождаются трещины расслоения. Но поскольку протяженность этих трещин и глубина секущих трещин невелики, сквозной водо- и газопроводящей системы трещин в этой зоне не образуется.

Зона 5 (зона плавного прогиба) характеризуется прогибом пород без разрыва их сплошности.

Зоны б и 7 находятся в области опорного давления, при этом в зоне 6 преобладают упругие деформации, а в зоне 7— неупругие.

Зона 6 обычно называется зоной опорного давления, так как для ее описания используются те же характеристики, что и для области опорного давления.

Зону 7 условно называют зоной предельно-напряженного состояния, хотя деформации непосредственно около поверхности обнажения являются, как правило, запредельными. В этой зоне породы последовательно испытывают все виды деформаций — от значительного всестороннего сжатия на границе с зоной упругих деформаций до разрушения и сильного разрыхления вблизи от обнажения. При этом основные необратимые деформации происходят по природным системам трещин, что сопровождается подвижками по поверхностям структурных элементов. В меньшей степени и преимущественно непосредственно у забоя происходит рост и раскры-ие трещин, параллельных обнаженной поверхности.

Перечисленные зоны (за исключением зоны 7) находятся в подработанной толще пород. Зона 7 распространяется как на под-аботанную, так и на надработанную толщу, но в основном она проявляется в самом разрабатываемом пласте.

В надработанной толще имеется пять зон (зона обрушения отсутствует), при этом зоны 8—12 по своим качественным характеристикам соответствуют зонам 2—6 подработанной толщи, но все зоны, образующиеся в надработанной толще, расположены ближе к разрабатываемому пласту, чем к подработанной толще.

В прилегающем к земной поверхности слое (или пачке слоев, деформирующихся как одно целое) в результате изгиба образуются зоны растяжения и зоны сжатия, при этом зоны растяжения изолированы друг от друга, а зоны сжатия практически сливаются.

Зоны 13 и 14—зоны растяжений. Зона 13 характеризуется максимальным растяжением изгибающегося слоя (пачки слоев) и постепенным затуханием растяжений от верхних пачек к нижним; зона 14, наоборот, — максимальным растяжением нижних пачек этого слоя и постепенным затуханием растяжений от нижних пачек к верхним.

В зоне 15 (зоне сжатий) происходит сжатие слоя (пачки слоев). Эта зона включает в себя практически сливающиеся участки, в которых вследствие изгиба возникает сжатие вдоль слоя (пачки слоев). Степень затухания сжатий здесь так же, как и в зонах растяжений, уменьшается от поверхности слоя (пачки слоев) в глубь его.

При определенных углах падения пород происходит сползание слоев (преимущественно по плоскостям напластования) и в толще появляется зона 16 {зона сползаний), располагающаяся преимущественно в кровле пласта. В условиях крутого (реже наклонного) залегания слоев она распространяется и в сторону почвы пласта.

В зависимости от условий разработки, способов управления кровлей и других влияющих факторов число и местоположение зон могут отличаться от приведенной схемы. Так, при закладке выработанного пространства или при управлении кровлей способом плавного опускания зона обрушений, как правило, отсутствует, и непосредственно над выработанным пространством располагаются зоны разломов и трещин. При малой вынимаемой мощности пласта и пластичных вмещающих породах могут отсутствовать также зоны разломов и трещин. В тех случаях, когда над пластичными слоями залегают хрупкие породы, зоны трещин могут получить развитие и над зоной плавного прогиба.

Наряду с общими чертами процесс сдвижения горных пород на отдельных месторождениях имеет свои специфические особенности. При горизонтальном и пологом залегании пород (первая группа месторождений) слои в толще изгибаются подобно плитам, защемленным по концам. Слой пород, прилегающий к земной поверхности, изгибается подобно плите, лежащей на упругом основании. Вертикальные сдвижения (оседания) и их производные (наклоны и кривизна) в этих условиях значительно преобладают над горизонтальными. Последние являются в основном следствием изгиба слоев и зависят от стрелы прогиба (максимального оседания) и их мощности.

Обычно максимальное горизонтальное сдвижение в толще пород составляет 0,1—0,3, а на земной поверхности 0,3—0,5 значения максимального оседания. Кривизне выпуклости соответствует растяжение, кривизне вогнутости — сжатие.

При наклонном и крутом залегании пород (вторая группа месторождений) часть слоев изгибается подобно наклонным плитам, защемленным по концам, а часть слоев — подобно наклонным консольным плитам, защемленным у нижнего конца. Слои пород, изгибающиеся подобно консольным плитам, выходят на земную поверхность в полумульде по падению пластов. В этой полумульде наблюдаются обычно растяжения, а в полумульде по восстанию преобладают сжатия, за исключением участков, на которых происходят подвижки по напластованию слоев.

На выходах мощных крутопадающих пластов образуются провалы. При наклонном и особенно крутом залегании пластов горизонтальные сдвижения и деформации преобладают над вертикальными. Кривые деформаций в этих условиях часто имеют прерывистый характер, отражающий появление на земной поверхности уступов и трещин.

При складчатом залегании пород (третья группа) характер процесса сдвижения зависит от формы и размера складки. Особенно это заметно на складках синклинальной формы. В тех случаях, когда расстояние между выходами пласта на поверхность на разных крыльях складки соизмеримо с длиной мульды сдвижения, процесс сдвижения развивается и замыкается, как правило, внутри этой складки. В тех случаях, когда размеры синклинальной складки в плане в несколько раз превышают размеры мульды сдвижения, на выходе осевой плоскости складки на поверхность (если она попала в зону влияния горных работ) наблюдается значительная концентрация деформаций.

В условиях несогласного залегания пород (четвертая группа) характер процесса сдвижения зависит от мощности несогласно залегающих пород и их доли в составе общей толщи. Наиболее часто несогласно с коренными породами залегают третичные и четвертичные отложения (наносы).

При мощности менее 20 м и долевом участии менее 10 % наносы практически не оказывают влияния на характер процесса сдвижения.

В тех случаях, когда наносы составляют 10—50 % общей толщи пород, их влияние проявляется в сглаживании степени влияния угла падения основных пород на процесс сдвижения. При этом распределение деформаций в мульде сдвижения подобно распределению деформаций при некотором условном угле, промежуточном между углом наклона коренных пород и наносов.

При мощности наносов более 100 м и их долевом участии более 50 % влияние угла падения на развитие процесса сдвижения почти полностью сглаживается и характер распределения деформаций в мульде сдвижения становится аналогичным горизонтальному залеганию коренных пород. В этих условиях происходит обычно сдвиг коренных пород относительно наносов, вызывающий нередко значительные деформации вертикальных стволов шахт.

Следует заметить, что существенное влияние на процесс сдвижения в условиях слоистого строения пород оказывают геологические нарушения. На выходах этих нарушений на поверхность (или под наносы) наблюдается резкая концентрация деформаций, нередко с образованием уступов и трещин.

Ко второму классу массивов, т. е. массивам неслоистого строения,относятся в основном месторождения, залегающие в крепких магматических или метаморфических породах. Формы этих месторождений весьма различны: от пластообразных и жилоподобных залежей до отдельных рудных вкраплений. Соответственно различен для них и характер процесса сдвижения, что существенно затрудняет выявление общих закономерностей его развития. Процессы сдвижения здесь изучены в меньшей степени, и результаты часто ограничиваются установлением угловых параметров процесса сдвижения, определяющих границы всей мульды и ее отдельных зон.

Процесс сдвижения при неслоистом строении пород развивается преимущественно в форме перемещения отдельных структурных блоков в сторону выработанного пространства. Наиболее вероятными местами образования поверхностей отрыва являются поверхности структурных неоднородностей, в частности крутопадающие тектонические трещины, особенно если они подсечены горными работами.

Края мульды сдвижения круче, а ее граница выражена четче, чем при слоистых породах. Нередко эта граница проходит по крайней трещине на земной поверхности, и углы сдвижения совпадают с углами разрывов. Значения этих углов больше зависят от углов наклона трещин, по которым происходит сдвиг блоков, чем от углов падения залежи и прочности вмещающих пород.

На рис. 20.3 в качестве примера приведена схема развития процессов сдвижения в условиях апатитонефелиновых месторождений Хибин.

На рис. 20.3 зона обрушения 1 представляет собой область массива, в которой породы в результате беспорядочного движения превращены в несвязную массу с коэффициентом разрыхления более 1,3. В этой зоне в результате выпуска руды из эксплуатируемых блоков на поверхности образуются воронки и провалы. Границы зоны определяются углом βобр_р — по углу падения естественных трещин или зон ослабления, по которым происходит отрыв, в данном случае 57° < βобр > 90°.

К зоне обрушения примыкает зона сдвигов или террас 2, в пределах которой происходит сдвиг и оседание крупных блоков с образованием террас на поверхности. Внешней границей зоны террас является контур крайних трещин с раскрытием и высотой уступа более 0,25 м.

За зоной террас следует зона трещин 3, в которой деформации сопровождаются смешением пород с образованием трещин на поверхности. Границы этой зоны определяются углом β' = 75°.

Кроме угловых параметров, границы зон сдвижений дневной поверхности определяются линейными параметрами — шагом обрушения /₀, высотой стенки обрушения п₀ и длиной фронта подработки по простиранию L.

Зона 4 — зона плавных сдвижений — определяется углом (β = 70°.

Сдвижение пород лежачего бока на данных месторождениях не наблюдается.

Рис. 20.3. Схема развития процессов сдвижения в условиях апатитонефелиновых

месторождений Хибин

Состояние зданий, сооружений, горных выработок и природных объектов, а также степень дегазации угольных пластов определяются тем, в какую зону деформирования они попадают. Изменяя порядок ведения горных работ, способ управления горным давлением, размеры и взаимоположение очистных выработок, вынимаемую мощность пласта, скорость подвигания очистного забоя и другие параметры горных работ, можно регулировать развитие деформационных и дегазационных процессов, а также размеры и местоположение отдельных зон деформирования.