Закономерности сдвижения горных пород

Под сдвижением горных пород понимается деформирование и перемещение их под влиянием горных работ или происходящих естественных процессов (действия тектонических сил, выщелачивания, водопонижения, изменения свойств пород).

В результате горных работ вначале наблюдаются сдвижения нижней части подрабатываемых пород (кровли камер, заходок, лав). По мере увеличения площади подработки в процесс сдвижения вовлекается не только непосредственная кровля, но и расположенные выше породы. Наблюдается сдвиг пород по плоскостям расслоения и пересекающим массив трещинам. В результате над выработанным пространством образуется зона разрыхленных пород, объем которых больше первоначального. Поэтому при определенной высоте разрыхления пород происходит подпор вышележащей толщи.

Под воздействием собственного веса подработанные породы испытывают растягивающие напряжения (особенно в средней части пролета). Часть земной поверхности, расположенной над зоной растяжения, деформируется, в результате чего образуется мульда сдвижения. Границы мульды сдвижения определяются граничными углами по простиранию δ₀, по падению β₀ и по восстанию γ₀залежи или пласта (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Принципиальные схемы для определения сдвижения земной поверхности при отработке залежи вкрест простирания (а, б) и по простиранию (в):

β₀; γ₀; δ₀; β’ - граничные углы; β; γ; δ; β₁, φ- углы сдвижения пород; η_мах - максимальный прогиб (оседание) поверхности

При горизонтальном или пологом падении наибольшее оседание земной поверхности происходит в центральной части мульды. Иногда эта часть может иметь вид "плоского дна", это соответствует условиям полной подработки. При разработке крутых залежей мульда сдвижения имеет асимметричный вид. Максимальное оседание поверхности смещается к рудному телу (см. рис. 8.2 б).

Граничные точки сдвижения поверхности определяются по величине вертикальных оседаний, которые не превышают 10-15 мм.

Углы между линиями, соединяющими границы горных работ с точками опасных деформаций на поверхности и линией горизонта, называются углами сдвижения. При проведении маркшейдерских замеров эти углы в коренных породах обозначаются: β; β’ - у нижней границы горных работ (по падению), γ - у верхней границы горных работ (по восстанию), δ - по простиранию; в наносах эти углы одинаковы во всех направлениях и обозначаются φ. Положение точки, имеющей максимальное оседание, определяется углом максимального оседания θ.

Параметры сдвижения пород характеризуются абсолютными перемещениями одной части относительно другой (неподвижной), а также вертикальными и горизонтальными составляющими векторов сдвижения точек поверхности (или массива пород). Они определяются по результатам натурных замеров перемещения реперов.

Исследованиями ВНИМИ доказано, что слоистые коренные породы при сдвижении расслаиваются, прогибаются и деформируются самостоятельно; величина деформаций определяется совокупностью сдвижений и деформаций отдельных слоев. Рыхлые отложения, как правило, деформируются без расслоения. В скальных породах однородного строения деформации сопровождаются трещинообразованием, разделением на отдельные блоки, самообрушением и разрывами поверхности. Значения углов сдвижения приведены в табл. 8.1.

Значения угла φ в сухих наносах и выветрелых породах рекомендуется принимать равным 50°, в обводненных наносах — 35° и менее.

Углы сдвижения и разрыва пород при полной подработке

Таблица 8.1.

Коэффициент крепости пород f	Угол падения пород αп или рудного тела αр.т., градус	Углы сдвижения и разрыва пород, градус
β	γ	β1	δ
Слоистое строение пород (осадочные породы)
<5	0-30	55-45		-
31-45	45-40		-
46-60		-	(αп – 5)*
61-80	40-45	-
81-90	45-50	-
>5	0-30	60-50	55+1.5f	-	55+1.5f
31-45	50-45	55+1.5f	-	55+1.5f
46-60	45-40	-	-	55+1.5f
61-80		-	αп**	55+1.5f
81-90	40-35	-	60***	55+1.5f
Неслоистое строение пород
5-10	0-30			-
31-50			-
51-80		-	αр.т
81-90		-

*) Не более 50⁰;

**) Не более 65⁰;

***) При α_п > 80⁰, f_л.б. < f_в.б.

Параметры зоны сдвижения дневной поверхности и деформаций массива необходимо знать не только для обеспечения сохранности поверхностных сооружений и расчета параметров предохранительных целиков, но и для выбора мест расположения подземных выработок (стволов, квершлагов, штреков и др.). Определяют параметры сдвижения инструментальными или расчетными методами маркшейдерской службой рудников. Для инструментальных наблюдений устраивают специальные наблюдательные станции на длительный или короткий срок в зависимости от поставленных конкретных задач.

Расчетные методы не могут быть универсальными из-за разнообразия горно-геологических и горнотехнических условий разработки. Они базируются на конкретных случаях при решении определенных задач. Этими методами пользуются, главным образом, для прогнозирования вредного влияния горных работ на подземные и поверхностные сооружения на стадии проектирования. Широко используются при этом данные по сдвижению и обрушению пород на аналогичных месторождениях.

Многолетний опыт маркшейдерских наблюдений обобщается в специальных нормативных документах в виде различных методических указаний и инструкций.