Сдвижение горных пород под влиянием подземных разработок

Выемка пластов полезных ископаемых вызывает образование в недрах земли пустот значительных размеров. Породы, залегающие в кровле горных выработок, под действием силы тяжести и горного давления приходят в движение, обусловливая развитие процесса сдвижения всей толщи, включая земную поверхность.

По мере расширения выработанного пространства величина и скорость прогиба кровли возрастают, сплошность слоев нарушается, они расслаиваются, образуются трещины и происходит обрушение слоев кровли в выработанное пространство.
С увеличением размеров выработанного пространства зона разрушения, называемая сдвижение горных пород, расширяется.
При некотором соотношении размеров выработанного пространства и глубины горных работ сдвижение достигает земной поверхности.

До подработки массивы горных пород находятся в естественном напряженном состоянии, определяемом, главным образом, гравитационными и тектоническими силами. Проведение выработки вызывает возмущение в первичном поле напряжений, вокруг нее возникают зоны повышенных и пониженных концентраций напряжений. При достижении образовавшихся вокруг выработки напряжений, превышающих прочность горных пород , последние начинают разрушаться. При этом в первую очередь разрушаются породы, непосредственно прилегающие к выработке.
При наличии очистных выработок процесс разрушения пород распространяется на большие расстояния от выработки и может достигнуть земной поверхности. В начальный период, когда очистная выемка еще не отошла от массива на большое расстояние, кровля залежи находится в относительно устойчивом состоянии и ее изгиб происходит в небольших пределах.

зоны деформаций горных пород
вокруг очистной выработки
Зона обрушения I
Зона изгиба II
Зона опорного давления III
Зона полных сдвижений IV

Зона обрушения ( I )
Непосредственно прилегающая к выработанному пространству.
В ней происходит
отделение от массива слоев пород,
расчленение их на блоки
обрушение в выработанное пространство с нарушением природного строения и связей.
Высота зоны обрушения зависит:
от соотношения мощностей отдельных слоев кровли и мощности извлекаемого полезного ископаемого,
крепости слоев непосредственной кровли,
применяемой системы разработки
угла падения пласта.
Высоту этой зоны принимают равной 3-6 кратной вынимаемой мощности пласта.

Зона изгиба (II)
Наблюдается как в налегающей толще, так и
в подстилающих породах.
Деформации пород в зоне происходят:
в виде расслоения толщи на отдельные слои;
их изгиба с сохранением связей между отдельными блоками, образующих систему сквозных водо- и газопрововных каналов.
Различают две части:
зону прогиба с образованием трещин, примыкающую непосредственно к зоне полных оседаний (IIа),
зону прогиба без образования трещин и расслоений, расположенную над зоной прогиба с образованием трещин(II б).

Зона опорного давления (III)
Развивается вокруг очистной выработки за счёт зависания и прогиба пород, где породы сжимаются.
Величина и характер зоны опорного давления в покрывающих породах зависят:
от зависания пород у границ выработки;
глубины горных работ;
свойств пород, в которых пройдена выработка.

Зона опорного давления (III)
Опорное давление
возникает в массивах
горных пород
вследствие того, что
проведение
выработки лишает
вышерасположенный массив опоры.
Он зависает, и его масса перераспределяется
на горные породы, окружающие эту выработку.

Зона полных сдвижений IV,
Образуется как на поверхности,
так и в толще пород.
Принято считать, что в зоне полных сдвижений напряженное состояние близко к гравитационному.

В прилегающем к земной поверхности породном слое в результате изгиба образуются:
зоны растяжения в верхней (13) и нижней (14) частях слоя
зоны сжатия (15)
При определенных углах падения пород происходит сдвиг слоев по плоскости напластования и в подработанной толще появляется зона (16)

Схематическое изображение обрушения по глинистым прослоям

Схематическое изображение расслоения потолочины
между выемочными штреками по вертикали

Первый провал БКПРУ-1

Увеличение провала БКПРУ-1

провал БКПРУ-1 сегодня

Второй и третий провалы объединились в один

План горных работ БКПРУ-1 ( район первого провала)

План горных работ БКПРУ-1

План горных работ БКПРУ-1 ( район первого провала)

Основные параметры процесса сдвижения
К параметрам процесса сдвижения, характеризующим качественно и количественно этот процесс, относят:
углы сдвижения,
граничные углы,
углы разрыва,
углы полных сдвижений,
углы максимальных оседаний,
абсолютные и относительные сдвижения (оседания, наклон, кривизна, горизонтальные сдвижения, растяжения и сжатия),
скорость и время протекания процесса,
характер распределения величин сдвижений и деформаций в пределах мульды.

Часть земной поверхности , подвергшаяся сдвижениям и деформациям, называется мульдой сдвижения.
В мульде сдвижения различают зоны:
а) 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);
б) трещин – где происходит разрыв сплошности земной поверхности и образуются трещины (за ее внешнюю границу принимают контур крайних хорошо различимых трещин);
в) плавных сдвижений –
где земная поверхность
подверглась сдвижению
без разрыва сплошности;
г) "опасных" сдвижений –
где возникают деформации,
опасные для зданий и сооружений.
Распределение сдвижений и деформаций земной поверхности в пределах мульды неравномерно.

В мульде сдвижения выделяют два главных сечения, проходящих через точку максимального оседания О по простиранию АБ
и падению ВГ пласта.
Обычно мульда сдвижения представляет тарелкообразную впадину на земной поверхности. Но может иметь как вогнутое дно, так и плоское.

Мульда сдвижения в изолиниях оседания через 0,1 м.
АБ и ГВ – основные (главные) сечения мульды;
АГБВ – граница мульды сдвижения;
А1Г1Б1В1 – граница зоны опасного сдвижения

Форма и размеры мульды сдвижения, ее расположение относительно выработанного пространства зависят:
от мощности пласта;
угла наклона пласта;
размеров выработанного пространства;
глубины его залегания.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ (элементы) сдвижения земной поверхности
- это величины сдвижений и деформаций, характеризующие процесс сдвижения в пространстве и во времени;
граничные углы,
углы сдвижения,
максимальные (углы обрушения)

При горизонтальном залегании вырабатываемой залежи мульда сдвижения располагается симметрично относительно границ выработок;
при наклонном или крутопадающем залегании она смещается в сторону падения залежи.
Граница мульды сдвижения определяется с помощью углов сдвижения.
Под углами сдвижения понимают углы наклона к горизонту линий, соединяющих границу мульды сдвижения с границей выработанного пространства.

по простиранию
вкрест простирания
Различают углы сдвижения по простиранию и вкрест простирания

В зависимости от того, какая точка на поверхности принимается за границу мульды сдвижения, различают
Углы граничные
(βпр., γпр. ) относится к точке с нулевым сдвижением (наружные)
собственно углы сдвижения (β, γ) относительно точек, сдвижение которых является предельно допустимым с точки зрения повреждения сооружений (средние)
углы обрушения (разрывов) β′, γ ′ отнесенный к крайней трещине обрушения (ближе к рудному телу).

Углы сдвижения
Для обозначения на поверхности зон опасных сдвижений используются углы сдвижения -
наиболее важный параметр процесса сдвижения, с их помощью производится построение предохранительных целиков.

Углами сдвижения (β,Ɣ,δ, ) называются внешние относительно выработанного пространства углы, образованные на вертикальных разрезах в главных сечениях мульды по простиранию и вкрест простирания залежи (пласта) полезного ископаемого горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы выработанного пространства с границами критических деформаций поверхности.

β –угол сдвижения, ограничивающий опасную зону мульды со стороны падения пласта
Ɣ (гамма) - угол сдвижения, ограничивающий опасную зону мульды со стороны восстания пласта
δ (дельта) - угол сдвижения, ограничивающий опасную зону мульды со стороны простиранию пласта
φ(фи)) - угол сдвижения в наносах
Углы сдвижения

Угол полных сдвижений Ψ
Определяют зону полной подработки.
Угол полных сдвижений Ψ (пси)
называют внутренние относительно выработанного пространства угла, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды линий пласта и линиями, соединяющими границы выработанного пространства с границами плоского дна мульды сдвижения.

Различают углы полной подработки на разрезе вкрест простирания:
Ψ1 - со стороны падения,
Ψ2- со стороны восстания выработанного пространства и на разрезе по простиранию,
Ψ3 - с обеих сторон выработанного пространства
На практике углы полных сдвижений используются для определения в толще
пород и на ЗП зоны полной подработки.

Угол максимальных оседаний
При отсутствии плоского дна мульды (неполная подработка) местоположение тоски с максимальным оседанием земной поверхности определяется
углом максимальных оседаний ɵ (тэта)

Уголы разрывов
Зона мульды сдвижения, в которой наблюдаются трещины, оконтуривается
углами разрывов (обрушения), называются внешние относительно выработанного пространства углы, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения, горизонтальной линией и линиями, соединяющими границы выработанного пространства с ближайшими к краям мульды трещинами на земной поверхности.
углы разрывов на разрезе
вкрест простирания пласта β0̎ и Ɣ0
по простиранию пласта δ 0

ОСЕДАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ

Наблюдения с помощью приборов показали, что сдвижение точек земной поверхности происходит по сложной криволинейной траектории.
Вектор смещения точек мульды сдвижения разлагают на 3 составляющие:

вертикальную (оседание) ƞ (эта)
ƞ = Н0 - Нп,
где Н0 –высотная отметка репера из начального наблюдения;
Нп - высотная отметка репера из последующего наблюдения.
Принято различать максимальное оседание при полной подработке ƞ0
и максимальное оседание при
неполной подработке ƞm

2. горизонтальную
(горизонтальное сдвижение)
= Дп –Д0,
где Дп – расстояние от опорного репера до заданного из последующего наблюдения,
Д0 – расстояние от опорного репера до заданного из начального наблюдения.
(кси)

3. перпендикулярную
к плоскости сечения
Последняя величина незначительная и в практике почти не применяется.

Неравномерность смещения
соседних точек вызывает:
вертикальные деформации
(наклоны и кривизну)
горизонтальные деформации (сжатие и растяжение)

вертикальные деформации (наклоны и кривизна)
1, 2, 3 - реперы на поверхности до подработки;
1 ̍ 2 ̍ 3 ̍ - то же, после подработки;
ƞ1, ƞ2, ƞ3- оседания соответствующих реперов;
S1-2, S2-3 – расстояния между точками до подработки

Наклон интервала в мульде сдвижения
вычисляется как отношение разности оседаний двух соседних точек мульды к первоначальному расстоянию между ними.
Например, наклон отрезка 2-3 после подработки выражается углом ἰ2-3.

кривизна мульды сдвижения
kр — отношение разности наклонов двух соседних интервалов мульды к полусумме первоначальных длин этих интервалов (10-3 м)
Кривизна характеризует неравномерность распределения наклонов в сечении мульды сдвижения.
Различают: измеренную кривизну мульды, получаемую непосредственно по данным измерений, и расчетную кривизну мульды, полученную расчетным путем;
k2 = (i 2-3 -i1-2 )/ (L1-2 + L2-3 ) ½

Радиусом кривизны R
является величина, обратная кривизне.
R=1/k
Радиус кривизны

Наклон интервала
Радиус кривизны
k2 = (i 2-3 -i1-2 )/ (L1-2 + L2-3 ) ½
Оседание ƞ = Н0 - Нп,

Горизонтальные деформации
(сжатие и растяжение)
В результате сдвижения точка А переместилась в точку A1, а В - в точку В1.
В случае сжатия отрезка АВ соотношение между векторами АА1
и ВВ1будет таково, как это показано на (рис. а),
а в случае растяжения - как на (рис.б).

Проведем через точку В линию, параллельную и равную вектору АА1. Очевидно, вектор А1В1 характеризует расстояние АВ после деформаций поверхности. Относительная горизонтальная деформация будет

горизонтальная деформация (растяжение (+) – сжатие (-)) является укорочением или удлинением длины интервала, отнесенными к первоначальной длине.
Горизонтальная деформация- величина безразмерная.

В зависимости от способа определения различают сдвижения и деформации:
фактические,
Измеренные,
Ожидаемые (расчетные).
Фактические - сдвижения и деформации, которые в действительности претерпели горные породы и земная поверхность под влиянием выемки полезного ископаемого
Измеренные - сдвижения и деформации, полученные по данным натурных наблюдений на конкретном участке месторождения при определенных длинах интервалов, частоте и точности наблюдений.
Ожидаемые деформации определяют путем предрасчета по формулам, таблицам или графикам, составленным на основании обобщения результатов наблюдений в данных (или аналогичным данным) горнодобывающих районах.

Равномерные оседания и горизонтальные сдвижения
не всегда являются опасными.
Более опасными являются неравномерные сдвижения (деформации наклонов i, кривизна К и горизонтальные деформации ε).
Наклоны i наиболее опасны для высоких объектов с малой площадью основания (телевышки, дымовые трубы, водонапорные башни),
горизонтальные деформации опасны для трубопроводов и железных дорог,
кривизна – для зданий больших размеров в плане и т. д.

Предельно допустимые оседания и деформации, по которым определяют мульды сдвижения
приняты следующие:
оседание точек — 20 мм;
наклон мульды сдвижения— 4 мм на 1 м (4*10-3)
изменение наклона — 2 мм на 1 м (2*10-3)
растяжение (или сжатие) 2 мм на 1 м (2*10-3)
Кривизна наклоны мульды сдвижения i = 4-10-3;
кривизна Kp = 2-10-4 м-1;
горизонтальные деформации (растяжение) e = 2* 10-3.

Продолжительность процесса сдвижения
В процессе сдвижения принято различать три стадии:
Начальную (1-1,5мм/сут)
активную (более50мм/мес) затухающую (менее30мм/6мес)

Траектория движения точек и распределение величины сдвижений и деформаций в пределах мульды сдвижения
При решении задач, связанных с охраной поверхностных сооружений, необходимо знать распределение величин сдвижения и деформаций в пределах мульды.

следующие элементы:
наибольшее значение вертикальной и горизонтальной составляющих сдвижения;
величины наибольших деформаций в главных сечениях мульды по простиранию и вкрест простирания пласта;
наибольший наклон;
наибольшую кривизну;
наибольшее растяжение и сжатие.

кривая 1 - вертикальные сдвижения,
кривая 2 - горизонтальные сдвижения,
кривая 3 -горизонтальные деформации.
Кривые, характеризующие распределение деформаций поверхности на разрезе в крест простирания при пологом залегании пласта
Кривые наклонов повторяют форму кривых горизонтальных сдвижений
Кривые кривизны повторяют кривые горизонтальных деформаций

При горизонтальном залегании пласта кроме граничных точек А и В важными точками являются точки Е, Е1и О.
Точка О является:
местом наибольшего оседания,
наименьшего горизонтального сдвижения,
наибольшего сжатия.
Точки Еи Е1являются точками
перегиба кривой оседаний.
Они характеризуются:
наибольшим наклоном,(1)
наибольшим сдвижением
нулевой горизонтальной деформацией.(3)
максимальной кривизной
максимальным растяжением

При наклонном залегании пласта указанные соотношения изменяются.
С увеличением угла наклона залежи увеличиваются асимметрия кривой 1 в сторону восстания: точка с нулевым горизонтальным сдвижением не совпадает с точкой наибольшего оседания,
точки Е и Е1 располагаются несимметрично относительно точек О и O1 (отсюда несимметричный вид кривых). С дальнейшим увеличением угла падения пласта резко увеличивается асимметрия сдвижения поверхности.

1-оседания
2- горизонтальные сдвижения
3- наклоны
4 – горизонтальные деформации

к о э ф ф и ц и е н т ы п о д р а б о т а н н о с т и
При повторных подработках происходит активизизация процесса сдвижения, т.е. активизируются:
значения сдвижений и деформаций земной поверхности;
выполаживание углов сдвижения;
сокращение продолжительности процесса и увеличение скорости сдвижения.
Степень активизации процесса сдвижения зависит
от величины междупластья,
вынимаемой мощности пластов,
размеров ранее подработанного массива,
глубины разработки и прочности горных пород толщи.
.

Коэффициент подработанности
земной поверхности -
это отношение фактического размера выработанного пространства D2 к минимальному размеру D1 , при котором наступает полная подработка земной поверхности вкрест простирания ( n1 ) и по простиранию ( n2 )

Коэффициенты подработанности n1 и n2 используются для расчёта величин максимального оседания земной поверхности, от которых, зависят все величины сдвижений и деформаций.
При n1 = n2 =1 земная поверхность находится в условиях полной подработки и дальнейшее увеличение размеров выработанного пространства приводит к образованию плоского дна в мульде сдвижения.
Где Д1 и Д2 – размеры очистной выработки, соответственно,
вкрест простирания и по простиранию пласта;
h – средняя глубина разработки;
К – коэффициент, зависящий от горно-геологических условий.

Графики
оседаний,
горизонтальных сдвижений,
наклонов,
кривизны,
растяжений, сжатий
строят в масштабах, удобных для изображения на том же чертеже, на котором показан геологический разрез.
По построенным графикам определяют положение характерных точек в мульде сдвижения относительно границ выработанного пространства:
максимального оседания,
максимального горизонтального сдвижения,
максимального растяжения и сжатия,
границы мульды сдвижения,
границы зоны опасных сдвижений.

Факторы, влияющие на процессы сдвижения
Факторы влияющие на процессы сдвижения, могут быть
благоприятные и не благоприятные .
К благоприятным факторам относятся:
наличие над выработанным пространством пород, обладающих способностью прогибаться;
отсутствие под подрабатываемыми объектами тектонических нарушений;
пологое залегание разрабатываемой залежи и пород;
незначительная мощность разрабатываемого пласта или залежи;
закладка выработанного пространства;
сплошная система разработки со значительными размерами площади очистной выемки;
большая величина отношения глубины разработки к мощности вынимаемого полезного ископаемого (Н : m);
равномерная и быстрая выемка полезного ископаемого;
спокойный рельеф земной поверхности и значительные по мощности наносы.