Методы ведения горных работ при подработке сооружений

Степень деформирования подрабатываемых объектов существенно зависит от порядка ведения горных работ, способа управления кровлей, скорости подвигания очистного забоя и других горнотехнических факторов. Выбор оптимального сочетания этих факторов, т. е. горнотехнических мер защиты, является важной составной частью проекта отработки запасов под застроенными территориями и природными объектами. Целесообразность применения той или иной горной меры защиты или комплекса этих мер определяется технико-экономическим расчетом и техническими возможностями.

Наиболее часто стараются планировать горные работы так, чтобы подрабатываемый объект попадал в пределы плоского дна мульды сдвижения, т. е. на тот ее участок, на котором остаточные деформации минимальны. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы общий фронт очистных работ под рассматриваемыми объектами удовлетворял условиям

D₁ = a + b + l₁ / cos a+ 2 D,(12.4)

D₂ = 2H ctg y₃ + l₂ + 2D,(12.5)

где D₁ и D₂ — размеры очистной выработки соответственно вкрест и по простиранию (рис 12.1), а и b — расстояния от проекции подрабатываемого объекта на пласт (залежь) соответственно до нижней и верхней границ очистной выработки, l₁ и l₂ — размеры подрабатываемого объекта вкрест простирания и по простиранию, D — поправка за счет погрешности определения углов полных сдвижений; Н—средняя глубина разработки, a — угол падения пласта или залежи.

Численные значения а и b определяют из выражений

(H + 0.5 l₁ tg a) cos (y₁ + a)

a = -------------------------------------------;(12.6)

sin y₁

(H - 0.5 l₁ tg a) cos (y₂ + a)

b = -------------------------------------------;(12.7)

sin y₁

где y₁; y₂ и y₃ - углы полных сдвижений.

Если погрешность в определении углов полных сдвижений составляет ±5°, то D = 0,1 Н.

Рис 12.1. Расположение подрабатываемого объекта на участке плоского дна мульды сдвижения на разрезе вкрест простирания (а) и по простиранию пласта (б).

Создание плоского дна в мульде сдвижения при небольших глубинах разработки пластов обычно не представляет трудностей, но с ростом глубины осуществление этого мероприятия связано со значительным увеличением размеров очистных выработок, что по ряду технических причин не всегда возможно. В этих случаях плоское дно в мульде сдвижения создают путем соответствующей отработки нескольких лав. Наиболее эффективен в этом отношении способ парных штреков (рис. 12.2).

Рис 12.2 Последовательность отработки пласта при способе парных штреков.

1 и 2 — участки пласта, отрабатываемые соответственно на первом и втором этапе.

При этом способе на первом этапе (прямым ходом) отрабатывают лавы, влияние которых на земную поверхность мало ощутимо. Между этими лавами оставляют полосы, при выемке которых на втором этапе (обратным ходом) зависание в толще горных пород погашается и на земной поверхности образуется плоское дно.

Размер очистной выработки первого этапа определяют из выражения

d = C Ö H,(21.8)

где С — коэффициент, зависящий от совокупности свойств толщи горных пород (прочности, слоистости, трещиноватости и т. д ); его значение условиях угольных месторождений колеблется в пределах от 3 до 5, устанавливается обычно эмпирическим путем.

Длину лав с (рис. 12.2), отрабатываемых обратным ходом, принимают равными 2,5 d, но не более 200 м.

Отработка пластов под зданиями и сооружениями способом парных штреков имеет следующие достоинства:

а) при отработке первых лав на земной поверхности не происходит ощутимых деформаций, так как пролеты меньше предельных, при которых горные работы оказывают заметное влияние на земную поверхность;

б) первые лавы работают независимо друг от друга, вследствие чего возможно развить большую скорость подвигания очистных забоев;

в) в случае остановки одной из лав, другие лавы могут продолжать движение без ущерба для подрабатываемых объектов;

г) в связи с тем, что отработку полос между первыми лавами ведут обратным ходом, эти участки пласта детально разведываются и оконтуриваются первыми лавами, так что их отработка происходит более надежно и ритмично;

д) очистные работы ведут без межлавных целиков, что уменьшает потери, улучшает состояние выработок и дает более равномерную осадку земной поверхности и сооружений;

е) при отработке лав обратным ходом повторно используют штреки, пройденные при отработке первых лав;

ж) период влияния горных работ на здания и сооружения при отработке пластов по этой схеме меньше сокращается, что позволяет приурочить интенсивную осадку сооружений к наиболее благоприятному времени.

К недостаткам этого способа следует отнести большие деформации земной поверхности на границе с плоским дном и бурный характер развития деформаций, что отрицательно сказывается на состоянии некоторых типов сооружений. Устранить указанные недостатки можно путем применения закладки выработанного пространства при отработке полос обратным ходом.

Помимо способа парных штреков плоское дно в мульде сдвижения при больших глубинах разработки пластов можно создать, располагая очистную линию забоя уступами. При этом отставание забоев соседних лав друг от друга должно быть таким, чтобы на земной поверхности образовалась одна общая мульда сдвижения, т. е. влияние соседних лав должно проявляться раньше, чем успеет получить заметное развитие мульда без плоского дна под влиянием одной или группы относительно коротких лав. Значение этого отставания L можно определить из выражения

L = l H_B, (12.9)

где H_B — средняя глубина залегания верхней лавы; l — коэффициент, зависящий от состава толщи горных пород и скорости подвигания очистного забоя (значения коэффициента l колеблются, как правило, в пределах 0,4—0,6).

Для создания плоского дна в мульде сдвижения при разработке пластов уступами размеры целиков между лавами не должны превышать 0,1 Н и 0,2 l (l — длина каждой из отрабатываемых лав).

Заметное влияние на состояние подрабатываемых зданий оказывает его ориентация по отношению к горным работам. Поскольку повреждения зданий при прочих равных условиях находятся в прямой зависимости от их длины, следует стремиться, чтобы деформации земной поверхности в направлении продольной оси здания были минимальными. Это условие выполняется в тех случаях, когда горные работы ведут с таким расчетом, чтобы:

а) здания, расположенные продольной осью вкрест простирания пластов, оказывались в средней части мульды сдвижения, вблизи главного сечения по простиранию;

б) здания, ориентированные продольной осью по простиранию, оказывались на краю мульды сдвижения;

в) продольные оси зданий, расположенных диагонально к простиранию, оказывались примерно параллельными линии очистных забоев.

Выемку полезного ископаемого под зданиями, расположенными вкрест простирания и хорошо сопротивляющимися сжатию, целесообразно производить двумя расходящимися забоями, одновременно отходящими от разрезной печи, пройденной под серединой подрабатываемого объекта. Очистные работы в пределах участка, влияющего на здание, нужно проводить в этом случае с выкладкой в выработанном пространстве бутовых полос.

При подработке самотечных канализационных коллекторов горные работы следует вести навстречу транспортируемой в них жидкости.

Отработку полезных ископаемых под школами, котельными и другими сооружениями, имеющими значительные перерывы в эксплуатации, надо планировать с таким расчетом, чтобы активная стадия процесса сдвижения совпадала с перерывами в эксплуатации этих объектов.

В тех случаях, когда обеспечить защиту зданий и сооружений с помощью рационального проектирования очистных работ и оптимальных конструктивных мер защиты технически невозможно или экономически невыгодно, применяют способы частичной отработки запасов.

При отработке пластов (залежей) на неполную мощность m' последнюю вычисляют из выражения

m' = m [e]/e,(12.10)

где m — полная рабочая мощность пласта (залежи); [e] — значение деформации, допустимое для подрабатываемого объекта; e — деформация при выемке пласта (залежи) на полною рабочую мощность.

При частичной отработке пластов по площади подбирают такие размеры лав D и межлавных целиков d, при которых деформации земной поверхности под рассматриваемым объектом не превысят заданных значений. Задачу решают методом последовательного приближения, т. е. вначале принимают ориентировочные значения D и d, а потом расчетом их уточняют.

Частичная отработка наиболее эффективна при углах падения менее 30°, глубине разработки более 150 м и относительно прочных породах ([s_сж]>250 кгс/см²). Длину лав при частичной отработке следует принимать не более 0,35 Н, а размеры целиков не менее 0,12 Н. При D>0,35H влияние отдельной лавы на деформации земной поверхности резко возрастает, а при d<0,12H возможны внезапные разрушения целиков под воздействием повышенного опорного давления.

Эффективным мероприятием, обеспечивающим нормальную эксплуатацию подрабатываемых объектов и не требующим дополнительных затрат, является учёт знака и направления развития деформаций в подрабатываемых объектов.

В частности, при подработке горизонтальных выработок, особенно на обводненных участках, для предотвращения скопления воды в выработках и облегчения транспортировки полезного ископаемого горные работы в подрабатывающем пласте должны вестись навстречу уклону с тем, чтобы не допустить создания нулевых или обратных уклонов.

При выемке полезного ископаемого под железнодорожными путями на участках пути, где исходные элементы профиля близки к допустимым пределам, уклон пути следует уменьшать, а не увеличивать. Горные работы следует начинать под участком железнодорожного пути с нулевым уклоном или уклоном, направленным в сторону, противоположную движению забоя.

При отработке запасов от границ шахтного поля к середине нельзя останавливать забои и оставлять целики угля под выпуклой частью профиля пути, так как в этом случае выпуклость увеличивается.

В последние годы для защиты ответственных сооружений от вредного влияния подземных горных разработок все чаще применяют полную закладку выработанного пространства.

Из-за высокой стоимости закладочного комплекса закладку целесообразно применять на большой площади. К тому же чем обширнее закладываемая площадь, тем меньше сказывается влияние активизации сдвижения горных пород от соседних участков, отрабатываемых с обрушением кровли.

При использовании закладки необходимо учитывать коэффициент усадки закладки, зависящий от вида и материала закладки (табл.12.2).

Коэффициенты усадки закладки из различных материалов.

Таблица 12.2