20.07.2018
В ходе возведения частного жилого здания и разработке интерьера, необходимо принимать во внимание все требования, которые...


20.07.2018
Биметаллическими радиаторами называют батареи, созданные из нескольких сплавов: стального и алюминиевого. Сталь применяют с целью...


19.07.2018
Гибка металла, в особенности, листового, считается технологичной процедурой, в ходе которой из прокатного листа можно получить ту...


18.07.2018
Металлические изделия самой разной функциональности для краткости называются метизы. Группа охватывает широчайший ассортимент,...


18.07.2018
Сегодня на рынке выбор покрытий для пола является попросту колоссальным, среди самых востребованных вариантов следует отметить...


17.07.2018
Инверсионная крыша является «кровлей наоборот». Если говорить простыми словами, то основным её отличием, сравнивая со стандартной...



О механизме защитного действия пластов

21.05.2018
Отработка угольного пласта вызывает, как известно, обрушение, сдвижение и деформацию горных пород, залегающих выше отработанного пласта. Значительные деформации и подвижки испытывают также и породы, подстилающие пласт. Указанные деформации и перемещения пород распространяются вверх и вниз от выработки, подчиняясь объективным законам механики массива горных пород, стремящихся к установлению нового состояния равновесия.

К настоящему времени накоплены значительные материалы исследований, раскрывающие качественно, а в ряде случаев и количественно, процессы, происходящие в массиве горных пород над очистными выработками. Инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности, проведенные в основных угольных и рудных бассейнах страны, представлены, главным образом, данными об оседании земной поверхности над горными выработками и о деформации ее по профильным линиям, расположенным в направлении простирания и вкрест простирания отрабатываемого пласта, т. с. по главным сечениям мульды сдвижения земной поверхности над горными выработками. Многочисленные данные указанных наблюдений могут быть в значительной своей части использованы для выяснения механизма и границ защитного действия пластов.

При рассмотрении вопроса об области и характере влияния одиночной очистной выработки остановимся на более общем случае, когда выработка проведена в условиях большой глубины, т. е. при таком отношении глубины разработки к ширине выработки (высоте этажа), когда процесс сдвижения не доходит до земной поверхности. При таких условиях сдвижение горных пород может распространяться до земной поверхности лишь при отработке нескольких этажей. В этом случае сдвижение земной поверхности происходит как за счет упруго-пластического деформирования оставшихся целиков и краевых частей массива угля, испытывающих на себе нагрузку подработанной толщи пород, так и за счет дополнительного сжатия и псевдопластического деформирования пород, попадающих в зоны опорного давления. В качестве подтверждения можно сослаться на результаты наблюдений за сдвижением земной поверхности над очистными работами по пласту № 11 на южном крыле шахты им. Урицкого Кизеловского бассейна при глубине разработки 600—900 м. За пять лет максимальное оседание земной поверхности здесь достигло 154 мм, с образованием общей мульды оседания над выработанным пространством, появившимся после отработки четырех этажей.

На рис. 48 показана схема сдвижения и деформации горных пород над очистной выработкой ширины а. Она составлена на основе общепринятых представлений, но дополнена вышеуказанным условием о замыкании процесса сдвижения внутри некоторого контура. Это позволяет рассмотреть вопрос в более общем виде. Частные случаи, соответствующие разным соотношениям глубины и ширины выработанного пространства, получатся, если переносить на схеме земную поверхность последовательно в положения III, II и I.

По степени и характеру воздействия очистной выработки на массив горных пород в области влияния выработки могут быть выделены четыре зоны: обрушения, полных сдвижений, разгрузки, опорного давления.

Проведение горной выработки вызывает интенсивное сдвижение горных пород, залегающих непосредственно над выработкой. В большинстве случаев породы кровли обрушаются и, разрыхляясь, создают подпор для прогибающихся пород кровли и почвы. Однако высота обрушающихся пород кровли невелика и в подавляющем большинстве случаев не превышает 4—6-кратной величины мощности отрабатываемого пласта. Часто обрушение пород вообще не происходит. Такое положение может иметь место в случаях, когда ширина выработанного пространства недостаточна для обрушения пород кровли, а также в случаях, когда создаются условия для плавного сближения боковых пород на некотором расстоянии позади очистного забоя (такие условия чаще всего встречаются при разработке пластов мощностью менее 1 м).

Над зоной обрушения толща горных пород, равная 20—30-кратной мощности пласта, подвергается треoинообразованию. Выше указанной зоны горные породы прогибаются, как правило, без разрыва сплошности.

За исключением тех случаев, когда породы кровли не обрушаются из-за небольшой ширины выработаного пространства, над выработкой создается так называемая зона полных сдвижений. Эта зона характеризуется тем, что породы в ней получают опору на почву отработанного пласта, а деформации пород вдоль напластования (по крайней мере в условиях горизонтального и пологого залегания пластов) отсутствуют.

Многочисленными наблюдениями за сдвижением земной поверхности надежно определены углы w, оконтуривающие зону полных сдвижений. Указанные углы для условий горизонтального залегания пластов (w3) изменяются в пределах 50—60° обратно пропорционально прочности массива пород.

С углом w3 связан дополняющий его до 90° угол р0, близкий по величине к средневзвешенному углу внутреннего трения массива пород, попавших в зону полных сдвижений.

Высота зоны полных сдвижений может быть определена из зависимости

Z = a/2 tg w3.


Если учесть, что угол w3 может изменяться в пределах 50—60°, то получается, что высота зоны полных сдвижений Z колеблется в пределах 0,6—0,9 а.

При достаточно большой мощности отрабатываемого пласта и развитии зоны полных сдвижений можно предполагать возможность отделения пород по контуру этой зоны. В этом случае нагрузки на почву пласта будут определяться весом пород, попавших в зону полных сдвижений (под отделением пород от остального массива понимается появление сети открытых трещин между слоями пород по контуру зоны); слои пород, залегающие выше зоны полных сдвижений, зависнут над выработанным пространством.

Наоборот, при мощности пласта, недостаточной для полного развития зоны полных сдвижений, отделения пород по контуру зоны не произойдет и слои пород, расположенные над зоной полных сдвижений, частично получат опору на почву отработанного пласта.

В зоне опорного давления горные породы сжимаются по нормали к напластованию и, следовательно, расширяются по напластованию. Наоборот, в зоне разгрузки породы получают возможность расширяться по нормали к напластованию и сжимаются в направлении напластования.

Это положение может быть проиллюстрировано результатами моделирования на вальцмассе (рис. 49). Кривые с вертикальной штриховкой показывают деформации слоев вальцмассы в направлении по нормали к напластованию, а кривые с горизонтальной штриховкой — деформации в направлении вдоль слоев. Таким образом, последние кривые соответствуют кривым горизонтальных деформаций, приведенным на рис. 48. Как показывает рис. 49, пересечение кривых деформаций по нормали и по напластованию происходит на соответствующих осях, и, следовательно, по каждой из этих кривых можно с одинаковой степенью точности судить о размерах зоны опорного давления и разгрузки и о местоположении границы между указанными зонами. Отсюда можно заключить, что по кривым горизонтальных деформаций, полученным инструментальными наблюдениями в отдельных слоях породы и на земной поверхности, можно составить мнение о местоположении и размерах зон разгрузки и опорного давления.

Для условий пологого падения пластов Донбасса местоположение границы между зонами разгрузки и опорного давления определяется как место точек перегиба кривых оседания, полученных наблюдениями на земной поверхности и в горных выработках.

Оба эти способа дадут, по-видимому, близкие по своему значению результаты, так как наблюдениями установлено, что точки перегиба кривых оседаний и точки нулевых горизонтальных деформаций практически совпадают. Однако физическая природа процесса более четко описывается кривыми горизонтальных деформаций. Более того, точка перегиба кривой оседания нижних слоев кровли часто находится позади очистного забоя и тем дальше от него, чем прочнее породы, тогда как начало зоны разгрузки по нижнему слою породы не может быть позади забоя, а тем более па значительном расстоянии от него. Это говорит о преимуществе способа установления границы зоны разгрузки по результатам инструментальных наблюдений на земной поверхности и в горных выработках по горизонтальным деформациям.

Выше речь шла, главным образом, о поведении пород, подработанных очистной выработкой. Породы, надработанные выработкой, также подвергаются сжатию в зоне опорного давления под краевыми частями массива угля и расширению в сторону выработки в зоне разгрузки (рис. 48).

Рассмотрим схему деформации горных пород.

Впереди зоны опорного давления горные породы, находясь в условиях объемного напряженного состояния, вызванного действием веса вышележащих пород, не имеют возможности деформироваться в боковом направлении. В зоне опорного давления породы дополнительно сжимаются по нормали и расширяются по напластованию. При переходе горной породы в зону разгрузки разгрузка пород от опорного давления и веса вышележащих пород приводит к расширению элементов пород по нормали и сокращению их в направлении напластования. Это сокращение происходит как восстановление формы элементов горных пород, существовавшей в ненагруженном состоянии. Затем, по мере отхода очистного забоя и оседания пород, происходит их уплотнение и, следовательно, возрастание нагрузок на рассматриваемый слой породы.

При достаточно большой длине очистного забоя могут возникнуть условия, при которых на некотором расстоянии позади забоя произойдет полное восстановление нагрузок на слой породы и его деформированное состояние вновь будет таким, каким оно было до проведения горной выработки. Следует, конечно, иметь в виду, что возможно некоторое изменение деформационных свойств горных пород в процессе описанных этапов изменения их напряженного состояния.

Аналогичная картина получается при рассмотрении характера деформирования пород на разрезе вкрест простирания. Появление деформаций растяжения вдоль напластования в зонах стационарного опорного давления, располагающихся со стороны восстания и падения, компенсируется сжатием пород в зоне разгрузки.

Отсюда вытекает важное следствие. При организации наблюдений за установлением границ зоны разгрузки, вызванной отработкой соседнего пласта, наряду с измерением деформаций пород и угля по нормали к напластованию, могут использоваться измерения деформаций по напластованию с применением глубинных реперов. Это особенно важно при наблюдении за нижней границей зоны разгрузки при надработках. Здесь ниже откаточного горизонта можно вместо проходки специальных выработок ограничиться лишь буровыми скважинами. Конечно, не исключена возможность (особенно при незначительной ширине горной выработки, расположенной на больших глубинах) появления в зоне разгрузки напряжений сжатия по напластованию пород и напряжений растяжения в направлении по нормали к пласту. Ho в большинстве случаев этим, по-видимому, можно пренебречь.

На рис. 50 показаны результаты одновременного проведения инструментальных наблюдений за деформацией пород по нормали и по напластованию в зонах опорного давления и разгрузки, подтверждающие высказанные выше положения.

Таким образом, можно сделать вывод, что напряженное состояние горных пород, попавших в зону разгрузки, снижается за счет расширения их в направлении по нормали к напластованию и за счет сжатия (сокращения) в направлении напластования.

Следует также иметь в виду, что в зонах опорного давления и разгрузки, кроме упругих деформаций массива горных пород, возможно пластическое выдавливание слабых пород из зон высоких напряжений в сторону зоны разгрузки. Такое выдавливание возможно как со стороны пород, залегающих выше отработанного пласта, так и со стороны пород, подстилающих пласт.

Такое поведение пластичных пород (к ним можно отнести сланцы, угольные пласты, расцементированные песчаники) влечет за собой дополнительное расширение массива пород в зоне разгрузки по нормали к напластованию, за счет чего как бы снижается эффективная мощность пласта, принятого в качестве защитного.

Для проявлений горных ударов необходимо два главных условия: 1) пласт угля должен быть упругим и способным к хрупкому разрушению; 2) пласт в целом или его отдельные участки должны находиться под воздействием достаточно большого горного давления. Если применением каких-либо мер устранить одно из этих условий, то горного удара не произойдет.

Как было установлено, упругость угольного пласта в результате надработки и подработки в большинстве случаев не снижается. Следовательно, угольный пласт, если иметь в виду его способность к хрупкому разрушению, и после отработки защитного пласта остается потенциально опасным по горным ударам (если восстановится повышенное горное давление) и опасным по внезапным выбросам (при наличии достаточных горного и газового давления).

Основное действие опережающей отработки защитного пласта как меры борьбы с горными ударами заключается в том, что на надрабатываемом или подрабатываемом подзащитном пласте или группе пластов снижается горное давление, т. е. ликвидируется главное условие, без которого проявление горных ударов невозможно.

Рассмотренное выше показывает исключительную важность вопроса определения соотношения в пространстве и во времени отработки защитного и подзащитных пластов для того, чтобы не допускать на последних появления участков с повторным опасным нагружением,

Поскольку механизм защитного действия пластов заключается, главным образом, в освобождении опасных по горным ударам пластов от горного давления, далее основное внимание будет уделено выявлению условий образования зон разгрузки, ее границ, размеров, степени снижения напряжений в ней, а также вопросам контроля эффективности разгрузки пластов, т. е., в конечном счете, эффективности действия защитных пластов.