Понятие и геомеханические процессы в толще пород

Рассмотрим схему сдвижения горных пород и распределения горного давления под влиянием очистных выработок.

Положим, в угольном пласте произведена очистная выработка – лава длиной а (рис. 1). В результате в толще образовалась пустота, в которую стали опускаться под действием силы тяжести вышележащие слои горных пород. Толща горных пород, подверженная сдвижению, делится на 2 части: толщу, расположенную выше разрабатываемого пласта, и толщу, расположенную ниже пласта. Вышележащая толща называется подработанной толщей, нижележащая – надработанной толщей.

Общая площадь толщи, затронутая сдвижением, обозначена на рис.1 буквами ABCDE. За пределами этих областей угольный пласт и все слои горных пород находятся в условиях нормального (природного) горного давления. Источником горного давления является вес вышележащих горных пород. На один квадратный метр поверхности пласта приходися давление Hg, где H – глубина залегания пласта от поверхности земли, g – объемный вес пород. Это и есть природное или нормальное горное давление. Проведение очистных горных выработок нарушает природное горное давление, что является следствием сдвижения горных пород. Непосредственно над очистной выработкой в зоне 1 происходит беспорядочное обрушение горных пород, высота этой зоны составляет (1,5 ¸ 3) m, где m – мощность пласта. Выше зоны 1 – в зоне 2 происходит прогиб слоев горных пород с образованием трещин расслоения и поперечных трещин. Высота этой зоны составляет (30 ¸ 40) m. Практическое значение зоны 2 (зоны трещин) состоит в том, что она может стать причиной затопления действующих выработок, если затопленные выработки в других пластах расположены на расстоянии менее 40 m от разрабатываемого пласта. В зонах сдвижения 1 и 2 образуется свод, в пределах которого горные породы частично или полностью разгружаются от давления вышележащих пород, т.е. образуется зона разгрузки. Но раз имеется зона разгрузки, то по закону

сохранения энергии, должна быть и зона пригрузки. И такая зона в толще существует и расположена на краях выработки.

Участки угольных пластов, окружающие выработку, воспринимают горное давление превышающее нормальное горное давление в 1,5 – 3 раза. Эти участки угольных пластов и слоев горных пород называются зонами опорного давления (зоны 4 на рис. 1). Таким образом, зоны опорного давления возникают в следствии перераспределения горного давления при проведении очистной выработки. Повышенное горное давление в опорных зонах вызывает часто предельное напряженное состояние горных пород, которое может привести к горным ударам, внезапным выбросам угля и газа, разрушением целиков, окружающих выработанное пространство, осложнению в поддерживании подготовительных выработок и др., т.е. опорное давление может быть причиной возникновения опасных зон.

В зоне 3 (рис. 1), расположенной выше свода, слои горных пород так же прогибаются, но без образования трещин. Сдвижение горных пород доходит до земной поверхности, где образуется впадина, называемая мульдой сдвижения (зона 6 на рис. 1).

Сдвижение горных пород и перераспределение горного давления происходит также в надработанной толще пород (зона 5). В средней части этой зоны породы поднимаются вверх – происходит выпучивание почвы в очистном забое. Одновременно происходит разгрузка пород. На краях зоны 5 возникает зона опорного давления.

1.4. Опасные зоны по прорыву воды из старых затопленных
выработок в разрабатываемом пласте

На шахтах Донбасса и других угольных бассейнах страны часто возникает необходимость ведения горных работ вблизи старых затопленных выработок в разрабатываемом пласте.

Во избежание прорыва воды между действующими и старыми затопленными выработками должен быть оставлен целик угля, который является опасной зоной, так как горные работы в этом целике производить нельзя.

Участки угольных пластов в опасных зонах, граничащие с затопленными выработками в тех же пластах, называются барьерными целиками.

Границы опасных зон по прорыву воды, я так же размеры барьерных целиков определяются маркшейдерской службой горных предприятий. Способ их определения зависит от достоверности контура затопленных выработок.

Затопленный контур считается достоверным, если он нанесен на план горных работ по данным маркшейдерских съемок и правильность нанесения контура может быть проверена по материалам съемок. Иначе говоря, угловые точки достоверного затопленного контура имеют координаты, по которым затопленный контур всегда можно нанести на план.

Если контур затопленных выработок не отвечает этим требованиям, то он считается недостовернымконтуром.

Ширину барьерных целиков рассчитывают исходя из условия их устойчивости раздавливанию весом опирающихся на них горных пород в зонах опорного давления.

При достоверном контуре затопленных выработок ширина барьерного целика для пластов мощностью менее 3,5 м и при углах падения менее 30° определяется по формуле

(1)

где d – ширина опасной зоны (барьерного целика) по пласту при отсутствии в ней тектонических нарушений, м;

H – расстояние по вертикали от земной поверхности до пласта в опасной зоне, м;

m – вынимаемая мощность пласта, м;

D l – погрешность положения затопленной выработки (определяется маркшейдером шахты).

D l часто принимают равной (0,001¸0,002) L, где L – расстояние от затопленной выработки до центральных стволов шахты, а для затопленных выработок, пройденных до 1950 года принимают D l = 5 м.

Ширину опасной зоны принимают 20 м, если по формуле (1) она получилась менее 20 м.

Формула (1) применима при H £ 500 м. При глубине залегания угольных пластов H > 500 м ширина опасной зоны определяется также по формуле (1), но может быть

уменьшена по согласованию с Госгортехнадзором России. В пластах, мощностью более 3,5 м, а также в пластах с углами падения a > 30° очистные работы допускаются, как
правило, после спуска воды из затопленных выработок.

На рис.2 показано построение на плане горных работ барьерных целиков у достоверного затопленного контура 1-2-3-4.

В каждой угловой точке контура определяются: глубина залегания пласта Н ₁, Н ₂, Н ₃, Н ₄ и величины D l ₁, D l ₂, D l ₃, D l ₄. Размеры барьерных целиков в угловых точках в направлении простирания пласта определяется по формуле (1), а в направлении падения эти размеры умножаются на cos a.

Мощность пласта принята постоянной для всех угловых точек.

Барьерные целики у затопленных выработок можно не оставлять, если вода из этих выработок может быть спущена при помощи водоспускных скважин. Для этого сначала разрабатывается проект спуска воды, в котором указывается: объем и давление спускаемой воды, дебит воды по скважине. Дебит (приток) воды по скважине определятся по специальной формуле в зависимости от диаметра скважины, высоты водяного столба (напора) над устьем скважины, длины скважины. Определяется точка установки бурового станка и точка в затопленном контуре куда будет направлена скважина, определяются координаты этих точек X,Y,Z.

После утверждения проекта водоспускных скважин маркшейдер реализует этот проект в натуре (рис. 3) в следующей последовательности:

а) по координатам точки установки бурового станка (С) и точки в затопленном контуре (Е) определяются: дирекционный угол направления скважины (a), длина скважины (l) и угол ее наклона (d). Точка установки бурового станка наносится на план и в шахте определяется положение камеры, в которой должен быть установлен буровой станок;

б) после прохождения камеры от опорной сети шахты определяется точка С установки бурового станка в камере и закрепляется маркшейдерским знаком в кровле. В этой точке устанавливается теодолит и по направлению дирекционного угла скважины закрепляется вторая точка D. Таким образом отвесы в точках С и D закрепляют направление оси скважины в плане. Угол наклона скважины обозначается метками на отвесах.

При бурении скважины маркшейдер следит за направлением и наклоном буровой штанги. При бурении скважины соблюдаются меры безопасности, предусмотренные Правилами безопасности: устье скважины герметизируется, устанавливаются задвижки и др. За все это отвечает геолог шахты и буровой мастер.

При недостоверном контуре затопленных выработок вместо барьерных целиков устанавливается граница безопасного ведения горных работ. При установлении этой границы должны учитываться материалы геологического строения затопленной части шахтного поля, вычислительная и графическая маркшейдерская документация, результаты опросов старожилов и другую информацию. В зависимости от этого ориентировочно определяется контур затопленных выработок и устанавливается граница безопасного ведения горных работ.

Как правило, эта граница должна отстоять от старых выработок на расстоянии от двойной ширины барьерного целика d, определенного по формуле (1), до 200 м и более.

Очистные работы в опасной зоне при недостоверном затопленном контуре допускаются только после предварительного оконтуривания выработками с бурением опережающих скважин, позволяющих контролировать отсутствие затопленной выработки на расстоянии не меньше ширины барьерного целика.

Порядок действий по определению направлений и длин опережающих скважин принимается следующий (рис. 4).

1. Наносят на план утвержденную границу безопасного ведения горных работ АБВ, проектируемый штрек и границу зоны вокруг него, подлежащей проверке опережающими скважинами I-II-III-IV. Линию I-III проводят на расстоянии от границы безопасного ведения горных работ, равном расчетной ширине барьерного целика d по формуле (1).

2. Камеру для бурения опережающих скважин располагают у границы безопасного ведения горных работ в т. К. Первую скважину с устьем в т. К задают по направлению касательной к дуге окружности, проведенной из т. III радиусом 5 м и проводят ее до границы проверяемой зоны. При расстоянии 5 м и менее затопленная выработка будет обнаружена увеличение притока воды в скважину.

Скважину № 2 бурят по направлению проектируемого штрека на расстоянии примерно 50 м. По расстоянию между забоями скважин № 1 и № 2 определяют количество и направления дополнительных скважин, исходя из того, что расстояния между ними не должно превышать 10 м (по 5 м на каждую скважину). Положим в нашем случае дополнительно необходимо пробурить две скважины (№ 3 и № 4).

3. Если опережающими скважинами будет установлено отсутствие затопленных выработок на контролируемом ими участке опасной зоны, то проходка штрека станет безопасной до линии лм, проведенной на расстоянии d от границы бв проверяемого участка. Затем приступают к бурению второго и последующих опережающих скважин. Местоположение камеры для бурения и направление скважины определяется так же, как и в первом цикле.

Аналогичным образом контролируют опережающими скважинами опасную зону у штрека со стороны падения пласта.

1.5. Опасные зоны (предохранительные целики) в пластах,
расположенных ниже и выше затопленных
выработок в других пластах

Если выше и ниже разрабатываемого пласта имеются затопленные выработки в других пластах, то в разрабатываемом пласте оставляются предохранительные целики, которые и являются опасными зонами.

Предохранительный целик в нижнем разрабатываемом пласте оставляется, ко­гда расстояние до верхнего затопленного пласта по нормали , где m – мощность разрабатываемого пласта. Предохранительный целик в верхнем разрабатываемом пласте, когда затопленные выработки находятся в нижнем пласте, оставляется так же когда , но m в этом случае является мощностью нижнего затопленного пласта.

Границы предохранительных целиков в пластах под и над затопленными выработками строятся по углам разрыва. Величины углов разрывов , и принимаются согласно Правилам охраны сооружений для данного бассейна. Если в Правилах углы разрыва не приводятся, то их принимают на 10° больше углов сдвижений, которые в Правилах всегда задаются. Например, для антрацитовых районов Донбасса , , , где – угол падения пласта.

Углы разрыва откладываются от горизонтальных линий, проведенных через границы барьерных целиков в затопленных пластах, т.е. в затопленный контур входят и барьерные целики.

Порядок построения предохранительного целика в разрабатываемом пласте, расположенном ниже затопленных выработок в верхнем пласте (рис. 5).

1. Определяем расстояние между пластами по нормали к пластам – h. Положим, это расстояние оказалось меньше 40 m ₂, где m ₂ – мощность нижнего пласта. Следовательно, необходимо строить предохранительный целик.

2. Делим лист бумаги на 4 части. В левой нижней части располагаем план затопленной выработки (включая барьерный целик) в верхнем пласте в масштабе 1:2000 (иногда 1:5000). Обозначим затопленный контур цифрами 1-2-3-4. Проводим ось затопленной выработки О₁-О₂. На этом плане в результате последующих построений будут нанесены границы предохранительного целика.

3. В левой верхней части листа строится вертикальный разрез вкрест простира-

ния по линии О₁-О₂. На нем показываются оба пласта: разрабатываемый пласт 2 и пласт в котором имеются затопленные выработки. С плана на разрез сносится затопленный контур выработки в верхнем пласте: точки 1(2) и 3(4). Из точки 1(2) в нижней части затопленного контура проводится вниз линия по углам разрыва от горизонта до пересечения с нижним пластом в точке 7(8). Из точки 3(4) в верхней части затопленного контура проводится вниз линия под углом разрыва до пересечения с нижним пластом в точке 5(6). На план в левой нижней части листа из точек 7(8) и 5(6) сносятся линии, параллельные линиям 1-2 и 3-4 затопленного контура.

4. В правой верхней части чертежа строится разрез по простиранию пластов. На этот разрез сносятся с плана и вертикального разреза вкрест простирания точки 1, 2, 3, 4 затопленного контура – получаются проекции затопленного контура на разрезе по простиранию. Из этих точек проводятся линии под углами разрыва до пересечения с проекцией разрабатываемого пласта в точках 5, 6 и 7, 8. Эти точки сносятся на план в левой нижней части чертежа.

5. На плане соединяются точки 5, 6, 7, 8 и по ним строится контур предохранительного целика в нижнем пласте 5-6-7-8.

Порядок построения предохранительного целика в верхнем пласте, если затопленные выработки находятся в нижнем пласте (рис. 6), сохраняется тот же, отличие состоит в следующем.

а) У нижней и верхней границ затопленного контура (точки 1(2) и 3(4)) проводятся линии не вниз, а вверх под углами разрыва и до пересечения с разрабатываемым пластом в точках 9(10) и 13(14) соответственно.

б) Полученный контур предохранительного целика 9-10-13-14 обрезается линией горизонта затопления в точках 11 и 12 и контур предохранительного целика на плане будет: 9-10-12-11.