Геомеханика (1 часть)

Самые опасные формы сдвижения:
при подземной разработке
при открытой разработке

Эпюры распределения напряжений около подготовительной выработки
В случае очистной выработки это растяжение распространяется до поверхности, сохраняя тенденцию: вблизи выработки растяжения большие, которые уменьшаются к поверхности
Ρ = σz = γΗ
где σz – вертикальная составляющая напряжения; γ – средневзвешенное значение удельного веса, Н/м3; Н – средняя глубина выработки, м.
σx = σy = kб.р.·σz,
где kб.р. – коэффициент бокового распора; σx, σy - горизонтальные составляющие вертикального напряжения

Общая схема процесса сдвижения массива горных пород
при пологом падении
при крутом падении
I – зона обрушения; II - зона прогиба напластований толщи пород в сторону выработанного пространства с образованием трещин нормальносекущих и расслоения; III - зона плавного прогиба пород без отслоения; IV - зона пучения и поднятия пород почвы в сторону выработанного пространства; при выемке крутых пластов в зоне IV, может возникнуть сползание пород почвы в выработанное пространство а на земной поверхности образование «ступенек», трещин, террас; V - зона опорного давления.
1 - мульда сдвижения; 2 - наибольшие нагрузки образуются у верхней и нижней границ очистной выработки, что приводит к отжиму пласта; 3 – эпюра деформаций растяжений-сжатий.

МУЛЬДА СДВИЖЕНИЯ
Образование трещин отрыва в зоне горизонтального растяжения вблизи границы мульды сдвижения

Мульда оседаний над ТПМК в парке «300-летия СПб»
(проходка транспортного тоннеля метро 22.08.2016 г.).
Пригрузочная жидкость из-за потери герметичности не удержала кровлю призабойного пространства тоннеля диаметром 10 м, в результате образовалась мульда. Глубина до верха (кровли) тоннельной выработки ≈ 20 м.
Для масштаба снимки сделаны с нивелирной рейкой, длинна рейки – 3м.
Оседания в центре мульды по данным измерений – 1.666 м (1666 мм), в разы превышают те, что проявлялись над осью при проходке (90-145мм).
Опасность образования провала минимальна, но и её исключать нельзя. Поэтому необходимо принять меры по ограничению доступа в зону мульды-воронки (в парке много людей, они часто ходят прямо по газонам).
1.666 м

Полная подработка земной поверхности
Чем больше площадь выемки, тем больше значения сдвижений и деформаций земной поверхности. Однако их рост при увеличении площади выработанного пространства происходит только до определенного момента. Затем, несмотря на увеличение выработанного пространства, роста сдвижения и деформаций не происходит. Эта стадия называется полной подработкой земной поверхности. Она возникает при таких размерах выработанного пространства, когда в мульде сдвижения максимальное оседание не увеличивается при дальнейшем росте длины (ширины) выработанного пространства – в мульде образуется плоское дно.
Различают коэффициенты подработанности земной поверхности
Коэффициентом подработанности земной поверхности называется отношение фактического размера выработанного пространства D к минимальному его размеру D0, при котором происходит полная подработка земной поверхности.
где D1 и D2 – фактические размеры выработанного пространства на разрезах по простиранию и вкрест простирания пластов; ψ3 – угол полных сдвижений на разрезе по простиранию.
- на разрезе вкрест простирания
- на разрезе по простиранию
Определение стадии полной подработкой

Вывод формул определения n1 и n2
Минимальный размер, при котором наступает полная подработка D0:

При неполной подработке n1 (n2) < 1 образуется мульда без плоского дна.
Полная подработка земной поверхности
Неполная подработка земной поверхности
мульда плавных оседаний
В плоском дне мульды при максимальных смещениях деформации близкие к нулю
В случае полной подработки n1 (n2) ≥ 1 начинает образовываться и образуется плоское дно

В мульде сдвижения различают зоны:
∙ обрушения – часть мульды, где на земной поверхности происходит образование воронок, провалов, трещин и террас (за границу этой зоны условно принимают контур, ограниченный трещинами шириной не менее 25 см);
∙ трещин – где происходит разрыв сплошности земной поверхности и образуются трещины (за ее внешнюю границу принимают контур крайних хорошо различимых трещин);
∙ плавных сдвижений – где земная поверхность подверглась сдвижению без разрыва сплошности;
∙ «опасных» сдвижений – где возникают деформации, опасные для зданий и сооружений.

Положение мульды сдвижения относительно выработанного пространства определяется с помощью
граничных углов;
углов сдвижения;
угла максимального оседания и углов полных сдвижений,
которые строятся в главных сечениях мульды сдвижения.
Выработки имеют размеры D1 и D2 (стандартное обозначение) соответственно вкрест и по простиранию.
Длина полумульд L1, L2, L3 (стандартное обозначение) соответственно со стороны падения, восстания и простирания.
Главные сечения мульды сдвижения
Главные сечения мульды сдвижения – вертикальные сечения по простиранию и вкрест простирания пластов, проходящие через точки с максимальным оседанием земной поверхности.

при полной подработке
и пологом залегании пласта
при неполной подработке
и пологом залегании пласта
Мульда и угловые параметры сдвижения

Мульда и угловые параметры сдвижения
при неполной подработке
и крутом залегании пласта

На апатитовых месторождениях Хибин:
βобр = 90°
β" = 75°
β = 70°
Сдвижение горных пород при отработке наклонных залежей с выходом на поверхность
Сдвижение горных пород на рудных месторождениях

Угловые параметры процесса сдвижения
β0 – у нижней границы выработанного пространства;
γ0 – у верхней границы выработанного пространства;
δ0 – у границ выработки на разрезе по простиранию пласта.
Граничные углы β0, β01, γ0, δ0 в коренных породах – это внешние относительно выработанного пространства углы на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения, образованные горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы выработанного пространства с граничными точками мульды сдвижения.
β0 – у нижней границы выработанного пространства;
β01 – у нижней границы, но в породах почвы пласта при крутом падении пласта и пород;
δ0 – у границ выработки на разрезе по простиранию пласта.
Граничными точками мульды сдвижения считаются точки, за пределами которых со стороны неотработанной части пласта растяжения ε и наклоны i не превышают 0,5⋅10-3, а оседания η = 15÷20 мм.

Угловые параметры процесса сдвижения
На разрезе вкрест простирания границу опасной зоны сдвижения определяют с помощью углов сдвижения β, β1 и γ, а на разрезе по простиранию – с помощью угла δ.
Углы сдвижения β, β1, γ и δ в коренных породах – внешние относительно выработанного пространства углы, образованные горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы выработки с точками мульды сдвижения, за пределами которых (в сторону неотработанных частей пласта) деформации не достигают значений, опасных для ответственных зданий. Опасными, или критическими, принято считать деформационные наклоны iоп = 4⋅10-3; кривизну земной поверхности Kоп = 0,2⋅10-3 1/м; растяжения земной поверхности εоп = 2⋅10-3.
β – у нижней границы очистной выемки в породах кровли пласта;
β1 – у нижней границы очистной выработки в породах почвы пласта в условиях крутого падения, когда имеет место сдвижение лежачего бока;
δ – от границы выработки по простиранию пласта.
β – у нижней границы очистной выемки в породах кровли пласта;
γ – у верхней границы очистной выработки;
δ – от границы выработки по простиранию пласта.

Если α < αп – сдвижения пород лежачего бока не будет; если α ≥ αп – произойдет сдвижение пород лежачего бока, в этом случае вместо углов γ и γ0 используют углы β01 и β1.
Угловые параметры процесса сдвижения
Углы β01 и β1 используют для обозначения сдвижения пород лежачего бока при крутом залегании пород и пласта, когда α ≥ αп, где α – угол наклона пласта и пород; αп – предельное значение угла наклона, при котором возникает сползание пород почвы пласта в выработанное очистное пространство.
Значения αп (αп = 56÷70°) зависят от строения и крепости пород (типа месторождения).
α ≥ αп

Углы разрывов – внешние относительно выработанного пространства углы, образованные горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы очистной выработки на разрезах вкрест простирания (β″, β1″, γ″) и по простиранию (δ″) с последней трещиной на краях мульды сдвижения.
Угловые параметры процесса сдвижения
Для определения границ зоны провалов и воронок используются углы воронкообразования v: углы в главных сечениях мульды сдвижения по простиранию и вкрест простирания пластов между горизонтальной линией и линией, соединяющей границу зоны воронок и провалов с границей очистной выработки.
При разработке рудных месторождений на земной поверхности могут возникать зоны воронкообразования, террас, трещин; при разработке угольных месторождений в мульде может образоваться зона провалов, преимущественно над верхней границей выработки при глубине очистной выработки (20-30)m, где m – вынимаемая мощность.

В наносах (третичных или четвертичных отложениях) различают граничные углы – ϕ0 и углы сдвижения ϕ.
В наносах углы разрывов такие же, как и в коренных породах, т.е. не существует углов разрыва в наносах (ϕ″).
В мезозойских (меловых) отложениях (на месторождениях палеозойского возраста) различают граничные углы β0м, γ0м, δ0м и углы сдвижения βм, γм, δм .
В мезозойских (меловых) отложениях углы разрывов такие же, как и в коренных породах
Угловые параметры процесса сдвижения

Угол максимального оседания θ - острый угол на разрезе вкрест простирания пласта (на разрезе по простиранию θ = 90°) между горизонтальной линией и линией, соединяющей середину очистной выработки с точкой максимального оседания при неполной подработке земной поверхности (n1,2 < 1).
Угловые параметры процесса сдвижения

Углы полных сдвижений ψ1, ψ2, ψ3 – это внутренние относительно выработанного пространства углы, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения плоскостью пласта и линиями, соединяющими границы выработки с границами плоского дна мульды сдвижения. Углы используются при полной подработке земной поверхности (n1,2 ≥ 1).
По углам ψ1, ψ2 определяют размер плоского дна мульды на разрезе вкрест простирания пласта при n1 ≥ 1, причем угол ψ1 откладывается у нижней границы очистной выработки, угол ψ2 – у верхней. Угол ψ3 откладывается на разрезе по простиранию пласта при n2 ≥ 1.
Угловые параметры процесса сдвижения

Участок мульды сдвижения между точкой максимального оседания при неполной подработке земной поверхности или началом плоского дна мульды при полной подработке и границей мульды сдвижения по падению называется полумульдой по падению L1.
Участок мульды сдвижения между точкой максимального оседания при неполной подработке земной поверхности или началом плоского дна мульды при полной подработке и границей мульды сдвижения по восстанию называется полумульдой по восстанию L2.
Участок мульды сдвижения между точкой максимального оседания при неполной подработке земной поверхности или началом плоского дна мульды при полной подработке и границей мульды сдвижения по простиранию называется полумульдой по простиранию L3.
ψ3
γ0
γ
β0
β
ψ1
ψ2
ψ3
D1
D2
L2
L1
L3
L3
η0
η0
η0
η0
Граница мульды
Плоское
дно
δ
δ0
δ
δ0
L2
L1
L3
L3
Параметры мульды сдвижения

Натурные наблюдения за процессами сдвижения горных пород

Метод частотных наблюдений
(основан на принципе суперпозиции)
Получение сдвижений и деформаций массива горных пород с помощью глубинных (скважинных) реперов
Натурные наблюдения за процессами сдвижения горных пород
Глубинный репер
Досыльник реперов
Скважинный станок
(для измерения смещений глубинных реперов)
Схема закладки глубинных реперов

Устройство для определения смещений скважинных реперов
Пружинный кольцевой репер
Защёлка с пружинными лепестками
Бесконечный (закольцованный) тросик
Устройство для закладки пружинных кольцевых реперов
Устройство для определения смещений скважинных реперов
Натурные наблюдения за процессами сдвижения горных пород
Состояние защёлки во время проведения серии измерений (защёлка открыта)
Состояние защёлки для извлечения из скважины после проведения серии измерений (защёлка закрыта)
Процесс проведения серии измерений

Для получения горизонтальных смещений каждый репер снабжен пантографом, упирающимся в стенки скважины, который повторяет их сжатие-растяжение, а для получения вертикальных смещений - определяются изменения местоположений скважинных реперов по высоте индикатором в виде кольца и защелки, закрепленной на образующем это кольцо перекинутым через два блока тросе.
Натурные наблюдения за процессами сдвижения горных пород
Устройство для определения горизонтальных и вертикальных смещений глубинных реперов

Под наблюдательной станцией понимают сеть реперов, заложенных на земной поверхности над проектируемыми горными работами, в фундаментах (цоколях) зданий или на объектах – трубопроводах, рельсах железных дорог, технологическом оборудовании. Наблюдательные станции закладывают также в горных выработках.
В зависимости от поставленных задач различают:
● Типовые наблюдательные станции, которые предназначены для определения основных параметров процесса сдвижения при разработке отдельных пластов и свит пластов.
● Специальные наблюдательные станции, которые служат для изучения характера сдвижений и деформаций при подработке сместителей дизъюнктивных нарушений или осевых поверхностей складок, для оценки влияния слабых контактов при образовании прямых и обратных уступов, для установления взаимосвязи деформаций грунта и основания сооружения, для определения фильтрационных свойств пород вследствие разработок, параметров процесса сдвижения при закладке выработанного пространства и др.
По срокам службы различают:
∙ долговременные наблюдательные станции, срок службы таких станций более 3 лет, их закладывают с целью получения параметров процесса сдвижения при выемке нескольких пластов и горизонтов;
∙ рядовые наблюдательные станции со сроком службы 1-3 года; назначение то же, что и долговременных, но их закладывают при выемке одного-двух пластов или одного горизонта;
∙ кратковременные наблюдательные станции со сроком службы от 1 до 5 ме­сяцев, их закладывают при глубине горных работ до 250 м с целью получения отдельных параметров процесса сдвижения (как правило, это профильная линия по простиранию, по которой получают угол δ, ψ3, точки с максимальным оседанием, распределение оседаний, скоростей оседаний, деформаций).
Натурные наблюдения за процессами сдвижения горных пород
1. Наблюдательные станции на земной поверхности
Реперы в грунте обычно располагают по профильным линиям главных сечений мульды сдвижения вкрест и по простиранию пласта. Реже профильные линии закладывают в произвольном направлении относительно простирания пласта, но параллельно оси подрабатываемых объектов (трубопроводов, железных дорог, каналов, ЛЭП и др.).

1.1. Определение размеров и местоположения профильных линий реперов
Ожидаемые границы мульды сдвижения, в пределах которых закладывают реперы, определяют с использованием граничных углов, с учетом вероятного сдвига пород по напластованию, сдвижения пород лежачего бока и образования провалов.
Натурные наблюдения за процессами сдвижения горных пород

Продолжение: 1.1. Определение размеров и местоположения профильных линий реперов
Натурные наблюдения за процессами сдвижения горных пород

Натурные наблюдения за процессами сдвижения горных пород
1.2. Периоды процесса сдвижения

Лабораторные исследования процесса сдвижения горных пород на моделях из эквивалентных материалов (физическое моделирование)

Принципы моделирования из эквивалентных материалов
В основу каждой модели положен определенный геологический разрез, для основных горных пород которого предварительно определены физико-механические свойства.
Задаваясь масштабом модели, подбирают материалы, механические свойства которых были бы эквивалентны одноименным свойствам породы натуры.
Лабораторные исследования процесса сдвижения горных пород на моделях из эквивалентных материалов (физическое моделирование)

Разработка методов прогноза сдвижений и деформаций от строительства тоннелей и подземных станций метрополитена с последующей оценкой их влияния на здания и сооружения на основе методов математического моделирования геомеханических процессов (метода конечных элементов).
Математическое моделирование геомеханических процессов на основе метода конечных элементов (МКЭ)

Обработка результатов измерений
I. Вертикальные сдвижения и деформации

II. Горизонтальные сдвижения и деформации
Обработка результатов измерений

Методика расчета сдвижений и деформаций земной поверхности
Для расчета сдвижений и деформаций земной поверхности используется метод типовых кривых – безразмерных функций распределения основных видов сдвижений и деформаций, представляющих собой выраженные в безразмерной форме средние значения оседаний, наклонов, кривизны, горизонтальных сдвижений и деформаций.
Ожидаемые сдвижения и деформации определяют в условиях, когда имеются календарные планы развития горных работ и известны необходимые для расчетов исходные данные.
Вероятные сдвижения и деформации определяют, когда календарные планы горных работ отсутствуют.
Расчетные деформации получают путем умножения ожидаемых или вероятных сдвижений и деформаций на коэффициенты перегрузки: nη, nξ, ni, nk, nε.
Исходными параметрами являются:
∙ граничные углы (β0, γ0, δ0);
∙ угол максимального оседания (θ) и углы полных сдвижений (ψ1, ψ2, ψ3);
∙ относительное максимальное оседание (q0);
∙ относительное максимальное горизонтальное сдвижение (a0).

Максимальное оседание земной поверхности
ηm = q0·m·cosα·N1·N2 ,
где q0 – относительное максимальное оседание, q0 = η0/m; η0 – максимальное оседание при полной подработке; m – вынимаемая мощность пласта; N1, N2 – коэффициенты, учитывающие степень подработанности толщи соответственно вкрест и по простиранию пласта, определяется по Правилам охраны в зависимости от отношения D1,2/H; α – угол падения пласта.
Расчет ожидаемых сдвижений и деформаций при отсутствии сдвижения пород лежачего бока.
Методика расчета сдвижений и деформаций земной поверхности
На разрезе вкрест простирания и по простиранию по граничным углам β0, γ0, δ0 и углу максимального оседания θ (при неполной подработке) или по углам полных сдвижений ψ1, ψ2, ψ3 (при полной подработке) определяют длину полумульд L1, L2, L3.

При применении закладки выработанного пространства вместо вынимаемой мощности пласта (m) используют так называемую эффективную мощность пласта (mэ):
mэ = hк + hн + [m – (hк + hн)]B1,
где hк – сближение кровли и почвы (конвергенция) до возведения закладочного массива (рис.29), при отсутствии данных принимается равным 0,15·m; hн – неполнота закладки (среднее расстояние от верха закладочного массива до кровли на рис.29); В1 – коэффициент усадки закладки (отношение изменения мощности закладочного массива под нагрузкой к его первоначальной мощности в неуплотненном состоянии) определяется из опыта или по компрессионным испытаниям закладочного материала, а при отсутствии данных – по таблице в Правилах охраны.
Расчет ожидаемых сдвижений и деформаций при отсутствии сдвижения пород лежачего бока.
Методика расчета сдвижений и деформаций земной поверхности

Расчет ожидаемых сдвижений и деформаций при отсутствии сдвижения пород лежачего бока.
Методика расчета сдвижений и деформаций земной поверхности

Расчет ожидаемых сдвижений и деформаций при отсутствии сдвижения пород лежачего бока.
Методика расчета сдвижений и деформаций земной поверхности
Система координат, принятая в расчётном методе типовых кривых

Расчет ожидаемых сдвижений и деформаций при отсутствии сдвижения пород лежачего бока.
Методика расчета сдвижений и деформаций земной поверхности
η (оседание)

Расчет ожидаемых сдвижений и деформаций при отсутствии сдвижения пород лежачего бока.
Методика расчета сдвижений и деформаций земной поверхности
i (наклон)

Расчет ожидаемых сдвижений и деформаций при отсутствии сдвижения пород лежачего бока.
Методика расчета сдвижений и деформаций земной поверхности
K (кривизна)

Горизонтальные сдвижения (ξ) в точках главных сечений мульды:
а) по простирани
б) в сторону, обратную простиранию
в) в полумульде по падению
г) в полумульде по восстанию
где значения функции S′(zx) определяются по таблицам Правил для соответствующих бассейнов (месторождений) в зависимости от коэффициента N2; значения функций S(zy1), S(zy2), S′(zy1), S′(zy2), –по тем же таблицам Правил, в зависимости от коэффициента N1.
Расчет ожидаемых сдвижений и деформаций при отсутствии сдвижения пород лежачего бока.
Методика расчета сдвижений и деформаций земной поверхности
ξ (горизонтальные сдвижения)

Расчет ожидаемых сдвижений и деформаций при отсутствии сдвижения пород лежачего бока.
Методика расчета сдвижений и деформаций земной поверхности
ε (горизонтальные деформации)

B (коэффициент для ξ и ε)
Расчет ожидаемых сдвижений и деформаций при отсутствии сдвижения пород лежачего бока.
Методика расчета сдвижений и деформаций земной поверхности

1. При угле падения α = 0° коэффициент В < 0 (отрицательное значение), то принимается В = 0, поскольку должно быть В ≥ 0. Значит, на разрезе по простиранию, где α = 0°, типовые функции для расчёта горизонтальных сдвижений (ξ) и деформаций (ε) выбираются по таблицам Правил при В = 0, т.е. угол падения не учитывается.
2. При отсутствии наносов и мезозойских отложений (h = 0 и hм = 0) коэффициент В = (tgα)/a0.
3. Угол падения не оказывает влияния на вертикальные сдвижения и деформации, поэтому функции типовых кривых для вычисления наклонов (i) и кривизны (K) берутся при В = 0.
Анализ формулы определения B
Расчет ожидаемых сдвижений и деформаций при отсутствии сдвижения пород лежачего бока.
Методика расчета сдвижений и деформаций земной поверхности

Расчеты сдвижений и деформаций от нескольких выработок в одном пласте или свите выполняются последовательно от каждой выработки; суммарные сдвижения и деформации от нескольких выработок определяются путем алгебраического сложения сдвижений и деформаций от каждой выработки.

При расчетах сдвижений и деформаций от нескольких выработок учитывается активизация процесса сдвижения, возникающая за счет трещин расслоений и отслоений, образовавшихся от первичной подработки. Под активизацией процесса сдвижения понимают изменение характера распределения и размера сдвижений и деформаций горных пород при повторных подработках смежными выработками или свитой пластов по сравнению со сдвижениями и деформациями от отдельной выработки при первичной подработке.
Активизация процесса сдвижения увеличивает сдвижения и деформации земной поверхности, что учитывается через изменение значения в большую сторону относительного максимального оседания q0, через принятие более пологих углов сдвижения, граничных углов, т.е. увеличивая тем самым зону сдвижения. Степень выполаживания упомянутых углов и увеличение q0 от активизации определяется по Правилам… .

Условия безопасной выемки угля в зонах влияния на здания и сооружения и выбор мер их охраны определяются на основании расчётных деформаций (показателей деформаций) земной поверхности и их сравнения с допустимыми и предельными деформациями (показателями деформаций) и скоростями деформаций для железных дорог.

Допустимыми деформациями (показателями деформаций) земной поверхности (основания сооружения) считаются деформации, которые могут вызвать такие повреждения в сооружениях, при которых для дальнейшей их эксплуатации по прямому назначению достаточно проведения текущих ремонтных и наладочных работ.
Предельными деформациями (показателями деформаций) считаются такие, превышение которых вызывает аварийное состояние сооружений с угрозой для жизни людей.

Условия безопасного ведения горных работ
в зонах влияния на охраняемые объекты определяются допустимыми значениями деформаций (показателей деформаций),
а при перспективном планировании горных работ – безопасной глубиной разработки пластов.

Безопасной глубиной разработки называется такая, ниже которой горные работы не вызывают в сооружениях деформаций более допустимых.
Ниже горизонта безопасной глубины горных работ могут проводиться без применения горных и конструктивных мер охраны сооружений.
Безопасная глубина откладывается от объекта по вертикали.

I. Безопасная глубина Hб при разработке одиночных пластов определяется по формулам:

II. Безопасная глубина Hб при разработке свит пластов (без учёта влияния подвижек пород по контактам напластований) определяется по формулам:

Три наиболее влияющих пласта в свите - это пласты, имеющие максимальные отношения m1/H1, m2/H2, m3/H3 (m1, m2, m3 – вынимаемые мощности соответственно верхнего, среднего и нижнего пластов свиты; H1, H2, H3 – средние глубины разработки пластов, расположенных в зоне влияния на охраняемый объект).

Примечание. В Кузнецком бассейне при определении безопасной глубины разработки следует учитывать два наиболее влияющих пласта свиты.

Расчёты безопасной глубины разработки по (5) выполняются последовательно. Вначале учитываются все пласты, находящиеся в зоне влияния на охраняемый объект. При этом, если линия безопасной глубины на разрезе пересекает все пласты в зоне влияния, принятые для расчётов, либо располагается ниже принятых к расчёту пластов в зоне влияния, то полученное значение безопасной глубины является окончательным.
Если часть принятых в расчётах безопасной глубины пластов располагается на разрезе в зоне влияния ниже линии безопасной глубины, то производится повторный расчёт безопасной глубины по формуле (5) без учёта влияния пластов, расположенных ниже линии рассчитанной безопасной глубины на разрезах. Расчёты безопасной глубины ведутся до тех пор, пока линия безопасной глубины на разрезе будет пересекать или располагаться ниже тех пластов, мощности которых использовались при расчётах Нб.

III. Безопасная глубина разработки (HБ) свиты пластов при наличии подвижек пород по контактам напластований:

При подработке свиты пластов под гражданскими, промышленными, инженерными сооружениями и санитарно-техническими сетями безопасная глубина может рассчитываться отдельно для каждого пласта свиты как для одиночного, если
- разрыв во времени между подработками объектов превышает пять лет;
- ликвидированы деформации и повреждения несущих и ограждающих конструкций от предыдущих подработок;
- восстановлена эксплуатационная способность зданий, сооружений и коммуникаций.

Если охраняемый объект возведён на подработанной площади после окончания процесса сдвижения от предыдущих подработок и при отсутствии зависаний пород, то значение безопасной глубины, рассчитанное по формулам (1) – (6), увеличивается на 15%.

Предельные условия подработки объектов, при которых горные работы могут вызвать появление недопустимых деформаций в зданиях и сооружениях, определяются предельными показателями деформаций [ДП]
или
при перспективном планировании горных работ - предельной глубиной разработки HП.
Предельная глубина разработки HП откладывается от охраняемого объекта по вертикали.
HП определяется по формулам (1) - (6), в которых вместо допустимых деформаций (показателей деформаций) [ДД] используются предельные деформации (показатели деформаций) [ДП].
Приёмы и методы расчёта предельной глубины разработки (HП) аналогичны приемам и методам расчёта безопасной глубины разработки (Hб), изложенным выше.

Безопасные (Hб) и предельные (HП) глубины разработок используются для выбора мер охраны зданий и сооружений при планировании горных работ.
Безопасные глубины (Hб) разработки используются также при построении предохранительных целиков.

Планирование горных работ должно производиться исходя из следующих основных положений:
- ниже горизонта безопасной глубины (Hб) горные работы в зоне влияния на охраняемые объекты могут вестись без применения горных и конструктивных мер охраны объектов;
- на участках между безопасной (Hб) и предельной (HП) глубиной разработки при ведении горных работ необходимо предусматривать применение раздельно или совместно горных и конструктивных мер охраны объектов;
- выше предельной глубины (HП) или на участках, разработка которых может вызвать образование провалов, необходимо совместное применение как горных мер защиты объектов, уменьшающих деформации как минимум до предельных величин, так и конструктивных мер, обеспечивающих безопасную эксплуатацию объектов.

При выемке угля под охраняемыми объектами с применением горных и конструктивных мер охраны или при отступлении от настоящих Правил (Правила …, 1998 г.) угледобывающие организации должны проводить специальные инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности, деформациями объектов и технологического оборудования, изменением гидрогеологических режимов грунтовых вод и водоносных горизонтов, с целью своевременной корректировки применяемых мер охраны. Наблюдения должны производиться в соответствии с "Инструкцией по наблюдениям за сдвижением горных пород, земной поверхности и подрабатываемыми сооружениями на угольных и сланцевых месторождениях" (М.: Недра, 1989) и "Методическими указаниями по наблюдениям за сдвижением горных пород и за подрабатываемыми сооружениями" (Л., 1987).

Горные меры охраны - специальные системы разработки пластов и способы управления горным давлением, способствующие уменьшению величин деформаций поверхности или уменьшению скоростей деформаций поверхности.
Горные меры:
- охрана сооружений с помощью закладки выработанного пространства;
- охрана применением различных режимов выемки: гармоническая отработка, разработка пластов с разрывом во времени более продолжительности процесса сдвижения от одного пласта, выемка в обе стороны от разрезной печи и др.;
- частичная выемка запасов (по мощности, по площади);
- оставление предохранительных целиков, если другие меры охраны не могут гарантировать нормальную эксплуатацию охраняемого объекта или являются экономически нецелесообразными (когда надобность в предохранительном целике отпадает, шахта обязана частично или полностью извлечь запасы из предохранительного целика. В случае нецелесообразности извлечения запасов они относятся к потерям в целиках в установленном порядке).

Продолжение: Горные меры охраны

ПРИМЕЧАНИЕ. При извлечении угля с закладкой выработанного пространства или на неполную мощность размеры планируемого к отработке с закладкой участка определяют плоскостями по граничным углам, построенным от границ охраняемой площади.

При закладке выработанного пространства, вместо вынимаемой мощности пласта m при расчетах сдвижений и деформаций поверхности принимается эффективная мощность пласта mэ, которая определяется, за исключением Кузбасса, по формуле:
mэ = hк + hн + [m – (hк + hн)] B1, (1)
где hк – сближение кровли и почвы (конвергенция) до возведения закладочного массива, при отсутствии данных принимается равным 0.15m; hн – неполнота закладки (среднее расстояние от верха закладочного массива до кровли); В1 – коэффициент усадки закладки (отношение изменения мощности закладочного массива под нагрузкой к его первоначальной мощности в неуплотненном состоянии): определяется из опыта или по компрессионным испытаниям закладочного материала, а при отсутствии данных принимают по таблицам Правил (Прил. 1, разд. 4.1).
Эффективная мощность пласта (mэ)

Конструктивные меры охраны - усиление конструкций и узлов для восприятия дополнительных усилий в сооружении при подработке, а также снижение жесткости конструкций для уменьшения дополнительных усилий в сооружении, снижение дополнительных силовых воздействий на сооружения со стороны основания, уменьшение деформаций сооружения путем подъема и выправления сооружения или его части.
Конструктивные меры:
- осадочные швы: швы располагаются рядом с внутренними поперечными стенками, толщина швов должна быть такой, чтобы отдельные отсеки в процессе подработки работали независимо друг от друга; по вертикали здание рекомендуется разрезать на всю высоту, исключением является фундамент;
- податливые фундаменты: поглощающие горизонтальные напряжения в зданиях – для этого делается шов, отделяющий подземную часть здания от фундамента, шов заполняется материалом с небольшим коэффициентом трения;
- усиление здания железобетонными или стальными поясами;
- защита зданий с помощью компенсационных траншей: компенсационные траншеи, дно которых фиксируется ниже фундамента на 0,5 м, заполняется листовой волнистой сталью, мелким коксом, смесью грунта с опилками – очень эффективно защищает от горизонтальных деформаций, снижает их уровень в 1,5-2,0 раза;
защита трубопроводов путём: вскрытия подземных трубопроводов; снижения защемления подземного трубопровода в грунте путём засыпки его малозащемляющими материалами (песок, гравий) и уменьшения его заглубления; разрезки трубопровода с последующей вваркой катушек; установки в трубопроводах компенсаторов;
- восстановление профиля железнодорожных путей.

Выбор рационального комплекса общих и частных мер защиты должен определяться технико-экономическим обоснованием и социальными требованиями.
Рациональный вариант определяется на основании оценок потерь угля в недрах, дополнительных затрат на специальные способы ведения горных работ (на горные меры), стоимости конструктивных мер защиты объектов.

I. Расчётные, допустимые и предельные деформации (показатели деформаций) земной поверхности для подрабатываемых ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЙ

Продолжение. Расчётные деформации (показатели деформаций) для гражданских зданий

Обозначения в формулах (4.1) – (4.5)
l и H - соответственно длина здания (отсека), мм, и его высота от подошвы фундамента до верха карниза, м; ε1, R1, hy1 - соответственно расчетные величины горизонтальной деформации (безразм.), радиуса кривизны, м (R = 1/K, K - кривизна земной поверхности, 1/м), и уступа, мм, от одной выработки (определяются по Прил. 1 Правил…); εi, Ki, hyi - расчетные величины горизонтальной деформации, кривизны земной поверхности и уступа от отдельной i-той выработки; n - количество выработок; Δl1, Δl2, Δln - показатели деформаций от влияния первой, второй и n-ой выработок, определяются по формулам (4.1) и (4.2); mε, mk - коэффициенты условий работы при учете воздействия на здание или сооружение относительных горизонтальных деформаций ε и кривизны K; значения коэффициентов условий работы принимаются по таблице 4.1 (из Правил…).
Продолжение. Расчётные деформации (показатели деформаций) для гражданских зданий

Таблица 4.1
Коэффициенты условий работы для зданий, сооружений и коммуникаций
Продолжение. Расчётные деформации (показатели деформаций) для гражданских зданий

Коэффициенты перегрузки
Продолжение. Расчётные деформации (показатели деформаций) для гражданских зданий

Продолжение. Расчётные деформации (показатели деформаций) для гражданских зданий

Предохранительные целики
Когда при подработке сооружений могут возникнуть деформации земной поверхности, превышающие допустимые, и по технико-экономическим расчетам нельзя применить горные и конструктивные меры защиты, под охраняемыми сооружениями должны быть оставлены предохранительные целики.
Границы предохранительных целиков строятся относительно границ охраняемой площади, которая для зданий и сооружений включает охраняемый объект и берму вокруг него. Ширина бермы определяется по Правилам в зависимости либо от значений [εД] или [iД], либо от категории охраны транспортных сооружений.
Если для сооружения размеры берм, рассчитанные по допустимым деформациям [εД] и [iД] , получаются различными, то в качестве окончательного значения принимают наибольшее.

Для вытянутых объектов, ориентированных по диагонали к линии простирания пласта, границу охраняемой площади строят параллельно сторонам охраняемых объектов на расстоянии от них, равном ширине бермы.
Предохранительные целики
Границы охраняемой площади

Границы предохранительных целиков для зданий и сооружений определяют с помощью углов сдвижения. Если нижняя граница целика, построенная по углу сдвижения γ, располагается ниже горизонта безопасной глубины, то за нижнюю границу целика принимается горизонт безопасной глубины.
Предохранительные целики

Под зданиями и сооружениями, расположенными в лежачем боку разрабатываемого пласта с углом падения α ≥ αп, верхняя граница предохранительного целика определяется углом сдвижения β1, границы целика по простиранию определяются по углу δ, в наносах – углом ϕ. За нижнюю границу целика принимается горизонт безопасной глубины.
Предохранительные целики
β1
Б
Нб
ϕ
ϕ
ϕ
δ
δ
Б
Б
Б – берма
По Правилам 1998 г.

Под зданиями и сооружениями, расположенными в лежачем боку разрабатываемого пласта с углом падения α ≥ αп, верхняя граница предохранительного целика в коренных породах определяется углом сдвижения β1, границы целика по простиранию в наносах – углом ϕ, а в коренных породах составляют 90° к горизонту. За нижнюю границу целика принимается горизонт безопасной глубины.
Предохранительные целики
По Правилам 1981 г.

●На разрезах вкрест простирания границы целиков по восстанию определяют в наносах по углам ϕ, в коренных породах – по углам β.
●На разрезах вкрест простирания границы целиков по падению определяют в наносах также по углам ϕ, в коренных породах – по углам γ.
●На разрезе по простиранию границы целика определяются по углам ϕ – в наносах и δ – в коренных породах.
Способ вертикальных разрезов
Предохранительные целики
По Правилам 1998 г.

Построение предохранительного целика под здание:
Б – берма; АБВГ – контур целика при Нб больше глубины залегания нижней границы целика; А′Б′ВГ - контур целика при Нб меньше глубины залегания нижней границы целика.
Способ вертикальных разрезов
Предохранительные целики
По Правилам 1998 г.

Приведение предохранительных целиков к предельно минимальным размерам
Врезание очистными выработками в предохранительный целик допускается не больше чем до построенных границ с помощью радиусов R1, R2, R3.
Предохранительные целики
По Правилам 1998 г.

●На разрезах вкрест простирания границы целиков по восстанию определяют в наносах по углам ϕ, в коренных породах – по углам β.
●Со стороны падения на разрезе вкрест простирания границы целиков определяют в наносах также по углам ϕ, в коренных породах – по углам γ (см. рис.).
Способ вертикальных разрезов
Предохранительные целики
По Правилам 1981 г.

Если горизонт безопасной глубины Нб пересекает пласт выше охранной плоскости, проведенной к горизонту под углом γ (линия А′Б′), то за нижнюю границу целика принимается линия А′Б′, расположенная на безопасной глубине разработки, а не линия пересечения охранной плоскости с пластом А″Б″.
Предохранительные целики
По Правилам 1981 г.

Предохранительные целики
Если размеры охраняемой площади в плане в каком-либо направлении (по простиранию или вкрест простирания) менее 0,5 средней глубины разработки первого (верхнего) пласта свиты под серединой охраняемого объекта, то угол сдвижения, используемый для построения предохранительных целиков, в соответствующем направлении уменьшается на 5°.

Предохранительные целики
При разработке свит пластов для построения предохранительных целиков рекомендуется два варианта определения углов сдвижения и построения предохранительных целиков.

При построении предохранительных целиков в свитах пластов (два и более), значения углов сдвижения от влияния выработок в группах пластов определяются по формулам:
δЦ = δ ± ΔδЦ;
βЦ = β ± ΔβЦ;
γЦ = γ ± ΔγЦ,
где значения поправок к углам сдвижения определяются по приведённой ниже таблице.
Значения величин ΔδЦ, ΔβЦ, ΔγЦ
П р и м е ч а н и е. Знаки поправок ΔδЦ, ΔβЦ, ΔγЦ принимаются в зависимости от способов построения целиков (см. предыдущий слайд).
Предохранительные целики
Разделение пластов на группы выполняется в соответствии с 2 разд. Правил (п. 2.3).

Начиная с пласта 4 и для нижележащих пластов свиты (пласт 5, пласт 6, …) для построения целиков используются уже не изменяющиеся углы сдвижения: (β+Δβ3), (γ+Δγ3), (δ+Δδ3)
Предохранительные целики

В случаях, когда при построении предохранительных целиков производится разделение свиты пластов на группы (см. разд. 2 Правил), под словами "первый, второй и последующий пласты" следует понимать "первую, вторую и последующие группы пластов".
Предохранительные целики