Современное представление о механизме сдвижения пород

При проведении выработки в кровле ее по ослабленным контактам за счет собственной массы пород и изгибающего момента происходит расслоение массива по напластованию. Слои пород кровли изгибаются с различными значениями максимальных прогибов У_к . Образуются полости расслоения (рис. 2.2), ширина которых уменьшается по мере удаления от контура выработки. Причиной этому является смещение границ полостей к оси выработки (точки А) и как следствие умень­шение свободных пролетов (е₁, е₂, е₃) , а также снижение на­грузок на слой по мере удаления от контура.

В почве выработки под действием активной нагрузки со стороны стенок и реакции со стороны подстилающих пород происходит поднятие слоя внутрь выработки. За счет изгибающего момента по ослабленным контактам здесь также происходит расслоение с образованием полостей. Ширина полостей уменьшается по мере удаления от контура выработки. Размеры этих полостей и распространение их по мощности толщи меньше, чем в кровле выработки. Это объясняется тем, что масса слоев пород почвы уменьшает изгиб их внутри выработки.

  При увеличении ширины выработки (рис. 2.2, б) полости расширя­ются, зона образования их распространяется на большую высоту, увели­чиваются прогибы слоев. Аналогичная картина наблюдается и в почве выработки.

При дальнейшем увеличении ширины выработки имеет место наруше­ние сплошности слоев, залегающих вблизи выработки. Они обрушаются, а выше нежащие породы опускаются на максимально возможную величину, полости закрываются.

Таким образом, в процессе отработки пласта происходит сдвиже­ние подработанной толщи, под которым следует понимать послойный из­гиб пород, сопровождающийся существенным изменением напряженного состояния. При значительных размерах площади подработки сдвижение пород распространяется до дневной поверхности.

Одновременно с опусканием пород над очистной выработкой имеет место сжатие и выдавливание в сторону выработанного пространства как угольного пласта, так и слабых пород. В результате этого сдвижение пород в надугольной толще распространяется за границы очистных ра­бот в сторону массива. На поверхности образуется мульда сдвижения (площадь поверхности, подработанная очистными работами и ограничен­ная линией АА).

Контуры мульды сдвижения на поверхности связываются границами очистных работ внешними граничными углами β_о (по падению), γ_о (по восстанию), δ_о  (по простиранию). Над выработанным простран­ством фиксируются внутренние углы полных сдвижений ψ₁ (по падению), ψ₂ (по восстанию), ψ₃ (по простиранию) и угол максимальных опусканий θ (рис. 2.3).

Внешние граничные углы (β_о, γ_о, δ_о) образованы горизонтальной плоскостью и условными линиями, соединяющими контур мульды сдвиже­ния на поверхности (рис. 2.3, точка А ), где опускания не превышают ±15 мм, с границами очистных работ (рис. 2.3, точки С, D). Уг­лы, образованные горизонтальной плоскостью и условными линиями, сое­диняющими границы очистных работ с точками на поверхности, где рас­тяжения составляют 2 мм/м, наклоны - 4 мм/м, кривизна - 0,2·10^-3, называются углами сдвижения β, γ, δ.

Основной способ получения углов сдвижения - инструментальные наблюдения на дневной поверхности.

Углы полных сдвижений (ψ₁, ψ₂ , ψ₃) образованы плоскостью пласта и условными линиями, соединяющими границы очистных работ с точкой, в которой опускания достигает максимальных значений. В тол­ще подработанных горных пород выделяется зона полной подработки COD, которая ограничена углами ψ₁ и ψ₂. Предполагается, что породы в этой зоне полностью опускаются на почву пласта или на обрушенные породы и масса пород, находящихся внутри зоны, передается на почву пласта. Различают неполную и полную подработку. При полной подра­ботке эта зона охватывает всю надугольную толщу и точки максимальных опусканий (рис. 2.4, а) достигают поверхности с образованием дна мульды сдвижения. При неполной подработке зона полных сдвижений, ограниченная углами ψ₁ и ψ₂ (рис. 2.4, б), расположена внутри надугольной толщи.

Углы полных сдвижений зависят от геологических и горнотехниче­ских факторов. Они устанавливаются для каждого бассейна по резуль­татам инструментальных наблюдений за сдвижением земной поверхности. Ниже приведены значения углов полных сдвижений в условиях ранее не нарушенной горными работами толщи горных пород Донбасса.

Угол максимальных оседаний θ образован горизонтальной плоскостью и линией, соединяющей середину очистной выработки с точ­кой максимального оседания дневной поверхности.

Максимальные вертикальные опускания дневной поверхности зависят от вынимаемой мощности пласта m, способа управления кровлей, глубины разработки, размеров выработанного пространства, механиче­ских свойств горных пород. При полной подработке и управлении кров­лей полным обрушением максимальное вертикальное опускание по Донбас­су (в среднем) достигает 0,8m , в Западном Донбассе - 0,9m, в Карагандинском и Кузнецком бассейнах - (0,7.. .0,75)m. При полной закладке в зависимости от ее плотности эта величина находится в пре­делах (0,15.. .0,45)m. Минимальные оседания дневной поверхности имеют место при гидравлической закладке.

 Максимальные горизонтальные сдвижения дневной поверхности связываются с максимальным вертикальным оседанием коэффициентом, установленным по результатам инструментальных наблюдений сдвижений дневной поверхности. Он принимается 20-25% вертикальных оседаний.

Сдвижение пород над выработанным пространством происходит в виде последовательного изгиба плит, нежестко защемленных по конту­ру границ очистных работ. Породы надугольной толщи за пределами зо­ны полных сдвижений зависают над массивом угля и вызывают существенное увеличение нагрузок над этим массивом, создавая зоны опорного давления (рис. 2.5, 1У). Над выработанным пространством нагрузки уменьшаются и образуются зоны пониженных напряжений.

Таким образом, вокруг очистной выработки возникают аномалии, характеризующиеся повышенный напряжением над массивом угля и пони­женными напряжениями над выработанным пространством.

Область сдвижения пород вокруг очистной выработки (рис. 2.5) разделяется на зоны: беспорядочного обрушения - I; опускания пород с нарушением сплошности (образованием вертикальных трещин) – II; плавного опускания горных пород - III; опорного давления в надугольной толще - IV; опорного давления в подугольной толще (в породах почвы пласта) - V; разгрузки - VI. Параметры этих зон зависят от совокуп­ного влияния геологических, горнотехнических и производственных фак­торов, а также времени.