Краткая характеристика основных зон области сдвижения горных пород

Зона беспорядочного обрушения расположена непосредственно над очистной выработкой. Здесь происходит полное разрушение пород и об­рушение их в выработанное пространство. Предполагают, что она рас­пространяется вверх по нормали на незначительную высоту и в боль­шинстве случаев не превышает (3...6)m (m -  вынимаемая мощ­ность пласта). Для определения ориентировочной высоты зоны обрушения можно использовать выражение

где m – вынимаемая мощность пласта, м; h_c – предел свободного опускания кровли, м; К_р – средний коэффициент разрыхления пород (табл. 2.1).

 Анализ кривых опусканий пород, полученных на основе инструментальных наблюдений при подработке их очистными работами, показал, что свободное опускание h_c при управлении кровлей полным обру­шением находится в пределах 50-60% вынимаемой мощности пласта. Ис­ходя из этого и средних коэффициентов разрыхления пород К_р высо­та зоны беспорядочного обрушения для типичных условий Донбасса прак­тически соответствует вынимаемой мощности пласта. Это подтверждается измерениями в процессе проведения подготовительных выработок по выра­ботанному пространству, а также инструментальными наблюдениями за подработкой угольных пластов.

Зона опускания пород  с  нарушением сплошности, характеризующаяся образованием вертикальных трещин, располагается непосредственно над зоной беспорядочного обрушения. Высота распространения этой зоны за­висит от строения и состава пород, мощности пласта, угла падения, способа управления кровлей. 

При подработке каждый слой породы изгибается аналогично балке. Вследствие изгиба на участках слоя, расположенных вблизи границ очистных работ, происходит поворот сечений (рис. 2.6, а). В кровле слоя возникает растяжение, в почве - сжатие (рис. 2.6, б). Горизонтальные перемещения точек на поверхности слоя зависят от угла поворота θ₁ и θ₂ и высоты слоя. В свою очередь угол поворота зави­сит от вынимаемой мощности пласта и способа управления кровлей. С увеличением мощности пласта и высоты слоя возрастают перемещения и повышается вероятность образования вертикальных трещин. Согласно данным инструментальных измерений, трещины образуются при горизонтальных деформациях, превышающих 5 мм/м. На контактах слоев точки, расположенные в почве верхнего слоя при сжатии, смещаются в сторону массива, точки, находящиеся в кровле нижнего слоя, за счет растяжения смещаются в сторо­ну выработанного пространства. Горизонтальные подвижки слоев пород относительно друг друга, зависящие от мощности слоя и пласта, подтверждаются инструментальными наблюдениями и колеблются в пределах (0,05.. .0,3)m. Такие подвижки слоев пород могут вызвать значительные трудности при эксплуатации дегазационных скважин. В отдельных случаях скважины будут срезаны и выведены из строя.

В слое породы при изгибе параллельно его оси возникают напряжения растяжения и сжатия (см. рис. 2.6, б), которые могут оказывать существенное влияние на состояние выработки, расположенной в этом  слое. Известно, что горная порода является разномодульным материалом Е_сж>Е_р, поэтому при изгибе происходит смещение нейтральной оси слоя в сторону большего модуля. В этом случае напряжения сжатия, возникающие параллельно оси, будут превышать напряжения растяжения (см. рис. 2.6, б).

До настоящего времени каких-либо аналитических расчетов по установлению высоты зоны опускания с образованием вертикальных трещин не имеется. Фактические данные о высоте этой зоны, полученные на базе моделирования, весьма разнообразны. Указывается, например, что высота этой зоны в Донбассе достигает 12-15-кратной мощности пла­ста, в условиях Печорского угольного бассейна - 30-35-кратной мощ­ности пласта. Примеры же подработки водоносных горизонтов показыва­ют, что в отдельных случаях она не превышает 6-8-кратной мощности пласта.

Зона плавного опускания без нарушения сплошности пород распространяется до поверхности. Здесь прогиб происходит также с подвиж­ками слоев пород относительно друг друга. При этом толща однородных слоев пород расслаивается на отдельные пачки, мощность которых воз­растает по мере приближения к поверхности. Так, в условиях шахт Львовско-Волынского бассейна мергели общей мощностью более 200 м при подработке расслаивались на отдельные пачки. Мощность этих пачек увеличивается по мере удаления от выработки и вблизи угольного пласта составляет 10-12 м, вблизи поверхности возрастает до 35-40 м.

Точки максимальных опусканий слоев пород над средней частью выработанного пространства располагаются по нормали к напластованию. Опускания при прочих равных условиях зависят от вынимаемой мощности пласта и способа управления кровлей. Ширина зоны плавных опусканий превышает размеры очистной выработки.

Многочисленными измерениями деформаций поверхности и слоев пород при их подработке, доказано, что кривые оседаний слоев в обеих зонах имеют точки перегиба, которые располагаются над выработанным пространством на различном удалении от контура выработки. По данным ВНИМИ, эти точки, характеризующие максимальные скорости оседания, находятся на линии, наклоненной под углом 10-20° к вертикальной плос­кости. Такой характер деформации слоев свидетельствует об отсутст­вии свободно свисающих консолей, указывает на наличие расслоения по­род в надугольной толще.

Изолинии опусканий дневной поверхности при подработке распреде­ляются по площади подработки в виде эллипсов, вытянутых в направле­нии простирания (в сторону движения забоя лавы). При большой протя­женности выработанного пространства изолинии близки к окружностям, сопрягающимся с прямыми. Распределение этих изолиний аналогично рас­пределению изолинии опусканий плит, защемленных по контуру.

Зона опорного давления образуется вследствие зависания пород надугольной толщи как над движущимся забоем лавы, так и у границ очистных работ. Первая зона обычно называется временным опорным давлением, вторая - стационарным или остаточным. Опорная зона непосредственно над угольным пластом характеризуется шириной зоны а', максимальным напряжением в ней, расположением максимума относительно забоя лавы или границы очистных работ          и расстоянием от максимума напряжений до точки, где напряжения соответствуют указанным напряжениям нетронутого массива (рис. 2.7). Эти параметры, оказывающие существенное влияние на устойчивость выработок, состояние пород в призабойном пространстве лавы и динамические проявления, зависят от геологических, горнотехнических и производственных факторов, а также времени. По данным различных исследований, максимальное напряжение в опорной зоне на уровне угольного пласта превышает напряжение нетронутого массива в 1,5-8,5 раза, ширина этой зоны изменяется в пределах 20-250 м, максимум напряжений находится на расстоянии 2-15 м.

Распределение опорного давления над разрабатываемым пластом иллюстрируется рис. 2.7. Над движущимся забоем лавы при наличии крепких углей и прочных пород в опорной зоне возникают высокие на­пряжения, максимум расположен вблизи забоя (рис. 2.7, А, кривая I). При небольшой крепости угля и невысокой прочности пород за счет сжа­тия угля и погружения его в породы опорная зона расширяется, макси­мум удален от забоя лавы, максимальные нормальные напряжения в опор­ной зоне сравнительно невелики (рис. 2.7, А, кривая 2). При уменьше­нии скорости подвигания забоя лавы или при остановке забоя деформации пород не прекращаются. В этом случае зона опорного давления расширя­ется, максимум напряжений смещается в сторону массива, напряжение снижается (рис. 2.7, А, кривая 3').

Породы непосредственной кровли в опорной зоне подвергаются воз­действию нормальных напряжений. Кроме того, над забоем лавы происхо­дит опускание этих пород и при выемке на контакте угля с кровлей воз­никают силы трения. Это способствует нарушению сплошности пород непо­средственной кровли в массиве, что часто приводит к обрушению ее вслед за выемкой угля комбайном.

Параметры временного опорного давления при прочих равных условиях зависят от скорости подвигания забоя, длины очистной выработки, ширины захвата комбайна и скорости выемки угля. Поэтому условия ведения очи­стных работ в значительной степени будут зависеть от правильности вы­бора технологических параметров.

По мере удаления от пласта и дневной поверхности зона опорного давления расширится как в сторону массива, так и в сторону выработан­ного пространства. Форма эпюры нормальных напряжений и размеры макси­мума изменяются по мере приближения к дневной поверхности. Точки мак­симумов этих напряжений по мере удаления от пласта к дневной поверх­ности смещаются вглубь массива. Граница опорной зоны со стороны вы­работанного пространства располагается на линии (рис. 2.8, линия АА), проведенной от забоя лавы под углом 70-74° к плоскости пласта, кото­рая является геометрическим местом точек перегиба.

Таким образом, опорная зона охватывает всю надугольную толщу и перемещается вместе с забоем лавы.

Стационарное (остаточное) опорное давление, как указывалось, образуется у границ очист­ных работ и в значительной сте­пени оказывает влияние на усло­вия поддержания выработок. Основ­ная характерная особенность этой зоны - изменение ее параметров во времени. По мере удаления очистного забоя от рассматриваемого сечения увеличиваются деформации подработанной толщи пород, уменьшается объем зависших над массивом пород. Одновременно с этим увеличиваются деформации массива угля и пород, вследствие чего зона опорного давле­ния расширяется, максимум напряжений перемещается вглубь массива. При охране штрека целиками перемещение максимума напряжений вглубь массива (рис. 2.7, В) сопровождается заметным ухудшением условий поддержания этого штрека. Учитывая эти особенности остаточного опорного давления, необходимо штреки вприсечку проходить через определенное время с момента окончания очистных работ в рассматриваемом сечении, продолжительность которого зависит от строения пород надугольной толщи, глубины разработки и пр.

Зона опорного давления в почве на уровне разрабатываемого пласта является зеркальным отражением опорной зоны надугольной толщи. По мере удаления от пласта зона повышенных напряжений в породах почвы расши­рятся как в сторону выработанного пространства, так и в сторону массива. Максимум нормальных напряжений смещается в сторону массива и эти напряжения снижаются. Предполагается, что границей зоны повышенных напряжений является линия, проведенная от контура очистной выра­ботки под углом 55° к нормали пласта. Влияние очистной выработки распространяется в породах почвы на глубину до 1,2-2,0-кратной длины лавы.

Форма и размеры зоны опорного давления в породах подугольной тол­щи зависят от многих факторов, в том числе от глубины разработки, строения пород почвы и надугольной толщи, мощности пласта, способа управления горным давлением.

Зона разгрузки образуется над и под выработанным пространством и характеризуется тем, что в этой зоне напряжения меньше напряжений нетронутого массива. При неполной подработке зона разгрузки в породах почвы вблизи очистной выработки имеет форму полуэллипса (рис. 2.9, а), При полкой подработке - двух полуэллипсов, примыкающих к границам очистных работ (рис. 2.9, б).

Размеры этой зоны и степень снижения в ней напряжений зависят от ширины выработок, строения пород и их механических свойств, глубины разработки, мощности пласта, способа управления кровлей, времени. Су­щественное влияние разгруженной зоны на состояние выработок нижележа­щих пластов имеет место на расстоянии 50-60 м от разрабатываемого пласта.

 Распределение напряжений в зоне разгрузки зависит от характера пригрузки со стороны подработанных пород надугольной толщи. В ряде случаев при отходе от разрезной печи возникают пиковые нагрузки в 1,1-1,2 раза превышающие силы гравитации.

Со временем нагрузки на почву пласта со стороны подрабатываемых пород надугольной толщи увеличиваются, напряжения под выработанным пространством восстанавливаются и зона разгрузки сохраняется лишь вблизи границ очистных работ.

Таким образом, разработка угольного пласта вызывает значительные изменения а толще горных пород с образованием аномалий напряжений вокруг выработки. Качественная сторона этих изменений в настоящее время достаточно изучена и известно, что на параметры различных зон сдвижения оказывают влияние геологические, горнотехнические и производствен­ные факторы, из которых последние являются управляемыми. Изменяя горнотехнические и производственное факторы (систему разработки, длину лавы, скорость подвигания, очередность отработки пластов в свите, ши­рину захвата комбайна и т.д.), можно влиять на сдвижение горных пород в направлении уменьшения напряжений в опорной зоне, смещение максимума напряжений в ней, снижение вероятности нарушения сплошности пород и т.д., создавая благоприятные условия ведения очистных работ и под­держания горных выработок. Однако для этого необходимо знать количест­венные зависимости, оценивающие степень влияния указанных факторов на параметры зон сдвижения горных пород при ведении очистных работ.