Сдвижение горных пород

Сдвижение горных пород — это длительный й многостадийный процесс деформирования подработанных массивов пород, вызываемого перемещениями их в сторону выработанного пространства. В процессе сдвижения участки массива пород, попадающие в зону влияния выработанного пространства последовательно или одновременно испытывают все виды деформирования: изгиб, сдвиг, растяжение, сжатие.
Процесс сдвижения начинает развиваться от выработки. Нa рис. 61 показано перераспределение напряжений в массиве пород при сооружении в нем горной выработки. При этом в кровле выработки, в частности, образуется зона разгрузки, породы которой передают давления на слой пород, непосредственно примыкающий к кровле, или на крепь. При определенном соотношении прочностных и деформационных характеристик пород и размеров выработки (так называемый предельный пролет) породы кровли начинают изгибаться и разрушаться. Если обнажение пород в кровле достаточно велико или выработку постепенно расширяют, процесс разрушения захватывает новые зоны, достигая земной поверхности.

Часть массива пород, перемещающаяся в сторону выработанного пространства, образует область сдвижения горных пород. В общем случае в этой области различают несколько зон сдвижения (рис. 62). Зона обрушения характеризуется полной потерей связи между отдельными частицами массива и беспорядочным перемещением их в сторону выработанного пространства. Эта зона образуется лишь в тех случаях, когда залежь отрабатывается системами с обрушением налегающих пород (естественным или принудительным). He во всех случаях зона обрушения может распространяться до земной поверхности. Это зависит от соотношения глубины разработки и вынимаемой мощности залежи, а также горно-геологических условий месторождения (размеров и угла наклона залежи, физико-механических характеристик пород). Для слепых рудных залежей А.Г. Акимовым получена эмпирическая зависимость по определению возможности образования провала на земной поверхности:

где H' — мощность коренных пород (рис. G3), равная Н—h (h — мощность наносов и выветрелых пород); m — мощность рудной залежи; L' — горизонтальная проекция рудной залежи, равная L' — L cos a + m sin а; k — коэффициент, учитывающий крепость налегающих пород, принимаемый равным 1,0—0,8 для интервала крепостей f = 2—10.
Характер деформирования подрабатываемой толщи пород существенно зависит от применяемой системы разработки. Так, если применяется система разработки с обрушением налегающих пород, то в подрабатываемой толще обязательно формируется зона обрушения, и различие может быть только в ее размерах. Обработка этих же залежей системами с поддержанием налегающих пород (например, закладкой, опорными целиками, крепью и т. п.), как правило, не приводит к образованию зоны обрушения и породы над выработанным пространством деформируются пликативно (т. е. без разрывов сплошности) или с образованием трещин на сравнительно небольшую глубину.

Непосредственно к зоне обрушения примыкает зона трещин, т. е. зона, где массив подработанных пород деформируется с разрывами сплошности, с образованием трещий различной ширины (от нескольких миллиметров до единиц метров) и протяженности. Для этой зоны характерно сохранение первоначальной ориентировки в пространстве частиц массива, несмотря на значительную (местами — полную) потерю связи между ними. Между зоной обрушения и зоной трещин нет четкой границы.
Зона трещин образуется в результате деформаций изгиба и сдвига отдельных слоев и участков пород в периферийной части массива, прилегающего к обрушенным породам. В процессе развития зоны обрушения за счет зоны трещин пограничные участки пород образуют консольные зависания, которые, прогибаясь в сторону зоны обрушения, отделяются от массива. На поверхности при этом образуются уступы в виде террас, разделенные трещинами, параллельными границам зоны обрушения.
Последняя, крайняя, из зон сдвижения горных пород — это зона плавных сдвижений. Здесь перемещения и деформации пород происходят без разрыва сплошности. Размеры зоны и величины деформаций в большей мере зависят от прочностных и деформационных характеристик пород. Так, в породах слабых, рыхлых, пластически деформирующихся (пески, глины, сланцы и т. п.) размеры зоны плавных сдвижений наибольшие, соответственно велики и абсолютные величины перемещений и деформаций. Следует отметить, что в таких условиях зона трещин сравнительно мала или вообще отсутствует. Во многих случаях данные породы не образуют зоны обрушения, и выработанное пространство заполняется за счет пликативного прогиба пород вышележащей толщи.
В породах высокой прочности и хрупких зона плавных сдвижений весьма мала по размерам, а деформации очень незначительны, иногда их даже трудно наблюдать. В этих условиях наружные границы зоны трещин и зоны плавных сдвижений внешне совпадают.
Деформации пород в окрестностях горной выработки происходят, как правило, по имеющимся естественным поверхностям ослабления. В еще большей степени это положение относится к перемещениям и деформациям элементов и подработанного массива в целом при сдвижении горных пород. Эта особенность поведения пород при сдвижении и аналогия процесса с механизмом пластических деформаций среды впервые использована С.Г. Авертиным.
Учет структурной раздробленности массива подработанных пород в теоретических изысканиях и практических расчетах может осуществляться: а) путем введения коэффициента структурного ослабления, характеризующего уменьшение прочности массива по сравнению с прочностью слагающих его пород; б) отождествлением углов сдвижения пород с углами наклона наиболее вероятных систем трещин; в) рассмотрением крупной тектонической трещины (зоны) в качестве возможной поверхности сдвигания пород и т. д.
Явление сдвижения горных пород принято характеризовать определенными геометрическими и временными параметрами, характеризующими не сам процесс, а состояния его на конечной или на некоторых промежуточных стадиях. Эти параметры позволяют не только качественно, но и количественно оценить явление и используются при расчете величин сдвижения пород, при определении и установлении мер охраны сооружения и природных объектов.
Наиболее примечательным проявлением сдвижения горных пород на земной поверхности является мульда сдвижения, представляющая собой площадь поверхности над выработанным пространством, точки которой претерпели вертикальные и горизонтальные перемещения. Размеры мульды сдвижения (площадь), как правило, больше проекции площади выработанного пространства.

На рис. 64 показано распределение максимальных перемещений и деформаций земной поверхности и толщи пород в мульде сдвижения для случая пликативной деформаций пород, характерное например, для отработки угольных месторождений.
В настоящее время приняты следующие формулировки и методы вычисления указанных параметров:
а) максимальное оседание n0 — наибольшая величина вертикальных перемещений точек земной поверхности;
б) максимальное горизонтальное сдвижение — наибольшее горизонтальное перемещение точек земной поверхности;
в) максимальный наклон i0 — отрезок на контуре мульды сдвижения, имеющий наибольший наклон к горизонту, определяется как наибольшее отношение разности оседаний соседних точек к горизонтальному расстоянию между ними.

г) максимальная кривизна k0 — наибольшее изменение наклона контура мульды — определяется как наибольшее из отношений разности наклонов двух смежных отрезков к полусумме горизонтальных длин этих отрезков

д) максимальное расстояние или сжатие е0 участка мульды сдвижения — определяется как наибольшее отношение разности горизонтальных длин определенного интервала контура мульды, полученных до начала и после окончания процесса сдвижения к первоначальной длине интервала:

е) угол наклона линии максимальных оседаний 0 — определяется как угол наклона к горизонту прямой линии, соединяющей точку с максимальным оседанием на поверхности с серединой выработанного пространства (см. рис. 66);
ж) продолжительность процесса сдвижения — период, в течение которого массив пород и земная поверхность находятся в состоянии сдвижения; за начало процесса сдвижения принимают момент, соответствующий началу очистных работ, а за окончание процесса сдвижения — момент, когда перемещения наблюдаемых точек мульды сдвижения прекращаются вообще, или чаще всего момент, после которого суммарное годовое оседание точек мульды сдвижения не превышает определенной заданной величины (например, 50 мм/год).
Весьма важными, повсеместно и широко используемыми геометрическими параметрами, характеризующими сдвижение горных пород, являются углы сдвижения и углы разрывов сплошности.

Углами сдвижения называют углы наклона к горизонту линий, соединяющих границы выработанного пространства с границами зоны опасных сдвижений (рис. 65). За границу зоны опасных сдвижений принимают линию на земной поверхности, на поверхности контакта коренных пород с наносами (или любой другой поверхности в массиве пород), которая соединяет точки с одинаковыми значениями оседаний, горизонтальных сдвижений и др., признанными опасными для сооружений.
Углы сдвижения строятся и определяются в вертикальных плоскостях, проведенных через характерные участки мульды сдвижения по простиранию и вкрест простирания залежи. В соответствии с этим различают углы сдвижения: в висячем боку у нижней границы выработанного пространства в и у верхней его границы у; в лежачем боку у нижней границы выработки в1; по простиранию залежи у нижней границы выработки 6. В наносах углы сдвижения ф принимаются одинаковыми во всех направлениях.
Следует помнить, что углы сдвижения пород так же, как и линии, их образующие, параметры условные. Как показали многочисленные наблюдения в натурных условиях, эксперименты на моделях и теоретические обобщения, граница зоны сдвижения горных пород не является в вертикальном сечении прямолинейной. Приложение методов теории пластичности, в частности методов статики и динамики сыпучей среды, показывает, что одной из возможных математических интерпретаций криволинейной границы зоны сдвижений может быть линия параболического очертания (рис. 66).
Углы разрывов в", в"1, у", b", соответствующие углам сдвижения, образуются линиями, соединяющими контур выработанного пространства с крайними видимыми трещинами на земной поверхности. Эти параметры, так же как и углы сдвижения, являются условными, не отражают действительной области трещинообразования в массиве, а служат лишь для определения границ зоны трещин на поверхности при решении технических задач по охране сооружений я природных объектов.

Наиболее надежным методом определения параметров сдвижения горных пород следует считать непосредственные натурные наблюдения на поверхности и в подрабатываемом массиве пород эксплуатируемого месторождения. Наблюдения содержат комплекс измерений, который включает: а) закладку сети реперов на земной поверхности и в подрабатываемых выработках подземных горизонтов и периодическое определение пространственных координат их методами маркшейдерской съемки; б) закладку глубинных реперов в скважины, пробуренные в подрабатываемую толщу пород с целью определения вертикальных перемещений отдельных точек массива и наблюдения за развитием зоны обрушения; в) детальную структурную съемку массива пород месторождения с целью качественной и количественной характеристик структурной расчлененности его; г) съемку провалов и наблюдения за появлением и развитием трещин разрывов на поверхности, промежуточных горизонтах и глубине массива (специальными приборами) и др.
Однако не всегда имеется возможность получить параметры сдвижения на основе материалов натурных измерений, в частности, это относится к месторождениям полезных ископаемых с неизученным характером сдвижения и в первую очередь проектируемым к отработке. В этом случае параметры сдвижения горных пород принимают по аналогии с другими или путем пред-расчета.