05 марта 2016г.
В настоящее время при проведении подземных работ в городской застройке необходимо решать вопросы об изменениях земной поверхности.
В данной работе рассмотрены изгибы и разрушения пластов пород земной коры при проведении подземных выработок.
В большинстве случаев кровля горных выработок в угольных шахтах состоит из слоев, которые отличаются физико-механическими свойствами, мощностью и условиями сцепления по контактам. В результате проведения таких выработок толща пород кровли с течением времени расслаивается, что приводит к снижению ее устойчивости и безопасности работ. Мониторинг по эксплуатации выработок, т.е. контроль их технического состояния, проверяют расчетом и наблюдениями для определения допустимого значения прогиба и его сравнения с фактическим, чтобы не произошли несчастные случаи. Например, 19 марта 2007 года случилась авария на шахте «Ульяновская» (г.Новокузнецка, Кемеровской области). Во время проведения работ была вскрыта зона тектонического нарушения и произошли обрушение кровли и мощный выброс метана, что происходит в подобных случаях. От неисправного кабеля произошел взрыв, а в шахте в это время находились 203 горняка. Погибли 110 человек, а 93 выведены на поверхность.
Причины возникновения прогиба и обрушения пластов пород, если рассматривать массив, в котором ещё нет горных выработок, как однородный и изотропный с горизонтальной поверхностью и учитывать лишь гравитационные силы, то в нём будут действовать начальные нормальные напряжения:
σz =γH (1);
σx =σy =ξγH (2),
где H - глубина от поверхности; γ - объёмный вес; ξ - коэффициент бокового распора.
Начальные касательные напряжения τxy, τxz, τyz равны нулю; поэтому начальные напряжения представляют собой главные нормальные напряжения, а оси z, х, у являются главными осями (Рисунок 1).
При проведении горизонтальных капитальных и подготовительных выработок
главные нормальные напряжения изменяются, а главные оси тензора напряжения поворачиваются по сравнению
с начальными. В плоском сечении,
перпендикулярном оси выработки (вдали от забоя),
напряжённое состояние
каждой точки можно охарактеризовать главными нормальными напряжениями σ1 и σ2 и линиями, указывающими направление главных осей в каждой точке,
т.е. траекториями главных
напряжений(рис.2).
Напряжения σ2 вблизи выработки уменьшаются по сравнению с напряжениями в нетронутом массиве,
а напряжения σ1
могут значительно возрастать или менять знак, вызывая опасное растяжение, которое может привести к разрушению пластов. Главные
нормальные напряжения, направленные параллельно (или почти параллельно) оси выработки, вдали от забоя, практически не изменяются.
Концентрация напряжений
σ1 неодинакова в разных точках поверхности выработки
и сильно возрастает в углах, закруглениях малого радиуса
кривизны. Если концентрация напряжений не слишком велика, то напряжения σ1 имеют общую тенденцию
к убыванию при удалении
от выработки, a σ2 к возрастанию. При больших концентрациях напряжения превосходят соответствующие пределы прочности пород, и вблизи поверхности выработки эти породы начинают пластически деформироваться или хрупко
разрушаться (зона неупругих деформаций).
В этой зоне напряжения
σ1 падают по сравнению с теми значениями, которые наблюдались до её образования, и меняется характер их распределения. Максимум напряжений σ1 относится к внешней
границе зоны неупругих деформаций, на которой
они претерпевают разрыв.
Смещения точек
поверхности выработки увеличиваются с удалением
от забоя, а на расстоянии 4-5 пролётов
выработки наступает их стабилизация.
Дальнейший рост смещений во времени обусловлен реологическими свойствами горных пород. При прочих равных условиях смещения
увеличиваются с ростом
глубины разработки и уменьшением показателей прочности и модуля
деформации пород.
Процесс сдвижения
земной поверхности Тобщ над проводимой подземной выработкой вычисляется по формуле:
где Кт – коэффициент, зависящий от механических свойств,
литологических и других особенностей массива горных пород, определяется опытным
путем. Его значения колеблются в пределах от 1,5 до 2,5; Н – глубина расположения выработки; с – скорость
подвигания забоя выработки, м/мес.
А опытным путем период опасных
деформаций tоп определяют по формуле:
tоп=рТобщ,
где р – коэффициент, определяемый по графику
(Рисунок 3) и согласно
эмпирической зависимости.
Эмпирическая зависимость:
р = АеnT,
где А=6.245; n=4.92; е-основание натурального логарифма, равное
2,72.
На основании вышеизложенного следует,
что физической причиной разрушения является возрастание в несколько
раз напряжений вследствие прогиба
породных слоев над выработанным пространством и давлением их на краевую
часть пласта. Возникающие при этом напряжения в пласте и кровле превышают естественные в 3 – 5 и более раз. Под действием повышенных напряжений происходит трещинообразование в породных слоях кровли.
Для безопасности при добыче угля подземным способом,
необходимо в первую очередь изучить взаимодействие различных
слоев, составляющих кровлю, их физико-механические свойства,
т.к. от них зависит возможность появление
максимального прогиба и даже разрушения, что показывает график на рис.3.
Список литературы
1. Исследования грунтов для высотного строительства [Электронный ресурс]: доклад/РОМ-ГиФ/ Тер- Мартиросян З. Т.; ГСУ – М., 2009. – URL: http//foundation.ru/datus/users/1-ger.pdf.
2.
Обследования, методы и способы
технической диагностики и испытания
строительных конструкций зданий и сооружений/ Г. М. Скибин,
Т. П. Кашарина, Ю. В. Галашев; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2012 – 367 с.
3.
Экологическая инфраструктура в строительстве: учебное пособие
для студ. вузов по спец. 270102/ Кашарина Т.П.; Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2010 – 198 с.
