автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Прогнозирование устойчивости и управление деформирванием подрабатываемого массива горных пород глубокими щелями для охраны поверхностных сооружений

Ьь, 1 - л

ш I I, * у 7

с" ~ ■

Министерство топлива и энергетики Российской Федерации Институт горного дела им. А. А. Скочинского

На правах рукописи

Канд. техн. наук Юрий Иванович МАРТЫНОВ

УДК 622.032.622.83:69.059.22

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И УПРАВЛЕНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ ПОДРАБАТЫВАЕМОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ГЛУБОКИМИ ЩЕЛЯМИ ДЛЯ ОХРАНЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Специальность 05.15.11 — «Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Москва 1992

Работа выполнена в Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Институте горного дела им.А.А.Скочин-ского.

Официальные оппонента:

проф., докт.техн.йаук И.М:Йбтухов, проф., докт.техн.наук Г.А.Катков, проф., докт.техн.наук С.Е.Чирков.

Ведущая организация - Московский горный институт.

Автореферат диссертации разослан " " -ел Л ' 1992 г.

Защита диссертации состоится " '' 1992 г.

в ч на заседании специализированного совета Д 135; 05.02

Института, горного: дела им. А.А.Скочинского.

С диссертацией молено ознакомиться в секретариате ученого совета Института горного дела им. А.А.Скочинского.

Отзывы в двух экземплярах прооим направлять по адресу: 140004 г. Люберцы Московской обл., ИГД им. А.А.Скочинского.

Ученый секретарь специализированного совета проф., докт.техн.наук

Н.Ф.КУСОВ

л'";: ••'=:'* О ¡1

------Л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

В диссертации, представленной в форма научного доклада, дается краткое содержание опубликованных в 2963-1991 гг. работ. автора по результатам выполненных им научных исследований.

Актуальность проблемы. Стратегия перестройки народного хозяйства основана на глубоком понимании роли науки и освоения ео результатов как мощного фактора достижения качественно нового состояния нашего общества. Приоритет отдается долговременным энергетическим и социальным программам страны. В них предусмотрено решение народнохозяйственных проблем рационального использования природных богатств, разработка ресурсосберегающих технологий и охрана городов и поселков на подрабатываемых'территориях.

Основным и радикальным средством защиты поверхностных объектов от вредного влияния подземных горнах работ все еще является оставление предохранительных целиков, временных и постоянных. Многие миллиарды тонн полезного ископаемого по этой причине остаются не извлеченными из недр и для их добычи требуется либо оноо жилого массива, либо проведение'нювых капитальных тортах" выработок. По данным Госстроя СССР, ежегодно в городах по разным причинам "выводится из оборота" 10-11 миллионов квадратных метров килой площади, в том числе и в результата подработки, а это по площади.' равно довольно крупному областному центру. Только промышленные запасы угля в целиках различного назначения, по данным Госгорте.хнадзора СССР, оцениваются в 5,5 млрд.т, что , составляет 24% всех промышленных запасов утля в стране.

Существующие способы защиты поверхностных сооружений от вред-кого влияния сдвижения горных пород недостаточно эффективны в том случае, когда деформации земной ловерхности Значительно" превышают допустимые, и в основном применимы для проектируемых зданий. Как показывает статистика, кадекнооть •строительно-конотруктивных и горных защитных кзропраятиЯ. бэз учэта оотавле--ния предохранительных, целиков, составляет ЬЪ%. Поетому актуальной проблемой является не только прогнозирование нарушения устойчивости подрабатываемого массива как научное предсказание наступления нежелательного события, но и управление деформациями с целью их устранения или уменьшения до допустимого уровня.

Целью -работы является научное решение проблемы повышения полноты извлечения полезных ископаемых из недр и защиты отдельных поверхностных объектов от вреднога влияния сдвижения горных пород.

Основная идея работы заключается в научном обосновании наиболее эффективного способа охраны поверхностных сооружений независимо от их конструктивно-деформационных особенностей, позволяющего осуществлять безцеликовую выемку полезных ископаем«*, улучшакщего технико-экономические показатели горнодобывающих предприятий и имеющего заметное социальное звучание.

Задачу исследований:

1. Разработка методики прогнозирования прочности трещиноватого массива, его свойств для решения горнотехнических задач как до освоения месторождения, так и в процессе его эксплуатации.

2. Установление механизма деформирования и разрушения трещиноватого массива шлкоблочного строения при сдвиге по фиксированной плоскости скольжения.

3. Определение критериев квазиизотропии и масштабного эффекта в трещиноватой среде.

4. Изучение закономерностей сдвижения и деформирования земной поверхности и горных пород на подрабатываемых территориях при наличии глубоких щелей.

5. разработка научных основ активного управления геомехани-чоским состоянием, сдвижением и деформированием подрабатываемого массива горных пород глубокими экранирующими и компенсирующими щелями.

6. Разработка нового способа защиты поверхностных подрабатываемых объектов глубокими щелями.

Методу 'исследования. Для решения поставленных в работа задач использовался комплекс методов, вмшавдих в себя теоретическое обобщение, аналитические исследования с использованием ЭВМ, моделирование и экспериментальные исследования в производственных условиях. Принятые в работе теоретические предпосылки и получение решения базируются на фундаментальных положениях механики горних пород, теории упругости,теории прочности и геометрии недр.

Основные научные положения, занимаемые в работе:

методы прогнозирования устойчивости массива с естественными

и искусственными трещинами; _ __

" выявление масштабного вффекта в-трещиноватой среде при сдвиге; "

научные основы активного управления геомеханическим состоянием, сдвижением и деформированием подрабатываемого массива горных пород глубокими экранирующими и компенсирующими щелями.

Достоверность материала. В основу диссертации положен фактический материал, собранный автором за I963-I99I гг. при проведении научно-исследовательских работ по решению проблемы повышения полноты извлечения из недр, определения устойчивости трещиноватых массивов и управления деформированием подрабатываемого массива горных пород глубокими щелями. Достоверность научных результатов базируется на комплексном решении проблемы, сопоставимости и взаимопроверяемости результатов. Это достигалось исследованием на моделях и в натурных условиях в одних и тех же горногеологических условиях. Физическое обоснование нового способа защиты поверхностных сооружений глубокими щелями осуществлялось по результатам обработки 33 плоских моделей из оптически активных материалов, 40 плоских моделей иэ эквивалентных материалов, 2 моделей на объемном стенда, размером 2x4x1 м. Это послужило исходным материалом для разработки расчетного метода определения сдвижений и деформаций в условиях соэдашя глубоких щелей. Сопо-■ отавление результатов сдвижений, полученных на объемных моделях /из эквнвалент¡их материалов и в натурных условиях, показали хорошую сходимость, а натурных результатов о расчетными выявили Г расховде1шГ~в параметрах сдвижения 7% и по"сумларныы "дефорШ^ циям - 6,5$.

• ■ Агпгобапия научных основ активного управления деформированием подрабатываемого массива глубокими щелями и технологии их сооружения осуществлялась в условиях действухщего промышленного производства при охрана основания в тяжелых условиях подработки шахтой В 1-Х бис Марганецкого ГОКа, при защите здания школы И 18 в г.Березовский, подработанного шахтой "Первомайская" ПО "Северо-кузбассутоль", здания бившего Казахского национального театра, подработанного шахтой им. O.K. Горбачева ПО "Карагавдаутоль", и здания профилактория, подработанного шахтой "Юбилейная" концерна "Кузнэцкуголь". Достаточность и надежность маркшейдерских измерений в пределах охраняемого здания характеризовались'ошибкой 5%, надежностью 99,7$ и гарантировались действующими инотру-ктивно-датодическими материалами.

Основные теоретические зависимости сопоставлялись с экспериментальным материалом. На основании большого количества графо-статиотических моделей (280 моделей), испытаний структурных

моделей на сдвиг и данннх по углам сдвижения на 18 месторождениях страны построена шханико-вароятностная модель трещиноватого массива при сдвито.Критерии квазиизотропии трещиноватого массива получены в результате испытаний структурных моделей на сжатие (200 моделей), на сдвиг (20 моделей) и изгиб (30 плоских и 16 объемных моделей).

Научная новизна заключается в разработке научных основ активного управления геомэханическим состоянием, сдвижением и деформированием подрабатьтаомото массива горных пород глубокими экрани- . рующими и компенсирующими щелями, учитывающих условия перехода трещиноватого массива горных пород из одного геомеханического состояния в другое; в установлении закономерности сдвижения и деформирования земной поверхности и горных пород в условиях создания глубоких щелей; в разработке метода расчета сдвижения и деформации в охраняемом основании; метода расчета параметров глубоких щолей; технологических вариантов охраны подрабатываемых зданий глубокими щелями в зависимости от степени их совершенства и требуемого снижения деформаций в основании здания; высокоэффективного способа защиты отдельных поверхностных сооружений на подрабатываемых территориях и методики оценки его эффективности.

Продлояона методика изучения и оценки трещиноватого массива. На основе исследования трещиноватого массива горных пород, оценки его структурной раздробленности, характера деформирования в зависимости от инженерно-геологических свойств, степени совершенства трещин разработаны методы прогноза прочности трещиноватых массивов и устойчивости крупных породных блоков, вычленяемых искусственными плоскостями ослабления. С учетом предложенных графо-статистическнх моделей трещиноватого массива разработана механико-вероятностная модель сдвига трещиноватого массива дис-континуального строения, в результате анализа которой установлено следующее: вероятная ширина зоны скольжения определяется структурными блоками, потерявшими связь между собой; угол внутреннего трения трещиноватого массива 'увеличивается' при вращении структурных блоков в зависимости от интенсивности трещиноватости, углов падения трещин, соотношения размеров структурных блоков, достигая двойного значения углов внутреннего трения монолитных пород. Получен общий вид кривой масштабного эффекта трещиноватого массива, подверженного сдвиговой деформации. Определены критерии квазиизотропного состояния массива и проявления масштабного эффекта в трещиноватых средах в зависимости от вида работы, характера нагружения массива и масштабных факторов.

Практическая ценность работы заключается: в разработка способа защиты оснований подрабатываемых поверхностных сооружений глубокими экранирующими и компенсирующими щелями, который на порядок снимает деформации земной поверхности и позволяет осуществлять безцеликовую выемку угля под застроенной территорией как самостоятельно, так и в комплексе со строительно-конструктивными и горными защитами мероприятиями;

в издании отдельных брошюр и методик, раскрывающих сущность способа охраны подрабатываемых зданий глубокими щелями, область его применения и рекламирующих его возможности.

в устранении вредных' последствий' подработки зданий горными работами и в повышении полноты извлечения полезного ископаемого из недр.

Реализация работы а промышленности осуществлялась поэтапно по мере завершения научных разработок как в виде их использования в НИР других институтов (ШОГЕМ,: МГИ, СоюзДорШЮ, так и внедрения в проект и в производство.В результате учета в 1973 г. данных прогноза о нарушениях устойчивости массива при проведении очистных работ на Запороксхом железорудном комбинате № I, что "послужило одним из аргументов перехода на систему с закладкой выработанного пространства вместо системы о обрушением, был получек годовой экономический эффект в размере 600 тыо.руб. В по-следугацем Центрогнпроруда применил аналогичную разработку в проекте Яковлевского рудника и был получен годовой экономический эффект в размере 36 тнс.руб. Внедрение способа защиты оснований подрабатываемйх поверхностных сооружений глубокими щелями осуществлялось через проекты, которые выполнены для поверхностных сооружений различного социального назначения (завода, бывшего театра, профилактория, школы, жилых зданий, института, дворца культуры и т.д.) и "раз но образ hlíjT горкЪ-гео логических условий основных угольных бассейнов страны. Часть из них воплощена в натуре и здания подработаны и сохранены (Кузбасс, Карагандинский бассейн), друтие ждут своей реализации или подработки как в случае с ремонтно-механическим заводом в г.Стаханова (Донбасс).

Внедрение способа защиты оснований зданий глубокими щелями в 1983-1984 гг. на шахте '^Первомайская" П0 '7Северокузбассуголь" ¡ позволило дополнительно добыть 105 тнс.т коксующегося утля под зданием школы Й 18 в г. Березовский, исключить трудовые затраты на проведение двух монтажных камер, конвейерного штрека, разрезной печи и двух демонтажник камер и исключить затраты на дэмон-

так и монтаж комплексов 2QKH, монтаж-демонтаж оборудования по вентиляционным и конвейерным штрекам; обеспечило безостановочную работу двух механизированных (с комплексами 2СКП) лав % 13-15 и 13-17 с суточной нагрузкой не менее 1250 т каждая и дало возможность высвободить I3S работающих (2992 чел.-смены), снизить себестоимость I т угля и получить годовой фактический (хозрасчетный) экономический эффект на сумму 183 тыс.руб. При отработке шахтой им. O.K. Горбачева ПО "Карагандауголь" восточной части предохранительного целика под зданием бывшего Казахского драматического театра, защищенного глубокими .щелями, было извлечено 259 тыс.т угля.

В результате внедрения способа защиты здания бывшего театра глубокими щелями и экономии по себестоимости угля за счет предотвращения дополнительных затрат по оформлению предохранительного целика и уменьшения потонной ставки амортизации основных фондов получен годовой хозрасчетный вкокомический эффект в 143 тыс.руб. Трехэтажное здание профилактория, построенное на сваях и насыпном грунте, было в 1991 г. подработано шахтой "Юбилейная" концерна "Кузнецкуголь". Годовой хозрасчетный экономический эффект от защиты здания глубокими щелями составил I млн.0,3 тыс.руб. Общий годовой экономический эффект от внедрения отдельных научных разработок на горнодобывающих предприятиях страны составляет I млн. 962,3 тыс.руб. Способ .защиты зданий глубокими щелями получил распространение и за рубежом, в частности, в Польше при защите поверхностных объектов г.Бытома.

Основные результаты работы включены в альбом "Технологические схемы комплексного использования недр при отработке уголь-, них месторождений подземным способом", в отраслевой терминологический словарь и "Справочник по комплексному освоению месторождений угля".

Апробация работы. Материалы проведенных исследований докладывались и обсуждались на семинарах или секциях ученого совета ВИОГЕН, ИГД им.А.А.Скочинского, ВНМШ, ЛГИ, НШКМА. На конференциях по защите зданий на подрабатываемых территориях в Киевской НИИСК, по взрывным работам в грунтах в Институте гидромеханики АН УССР (г.Киев) и других конференциях.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 63 работы, из них I монография, 4 брошюры, 2 авторских свидетельства на изобретения и 2 патента.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

Прогнозирование прочности трещиноватых массивов горных пород (на примере Джезказганского месторождения)

При оценке механической прочности массива большое значение имеет учет нарушений структурных связей, локализующих блоки пород. Структурную раздробленность массива, расчлененного тремя системами трещин, предлагается определять о помощью разработанной методики полевых измерений [I]. При наличии в массиве более 3 систем трещин объем структурного блока рассчитывается по формуле, . полученной из теории геометрических вероятностей [3,

Прогнозирование прочности , трещиноватого массива включает в себя решение следующих задач:

анализ структурных особенностей массива горных пород; установление связи интенсивности трещиноватооти массива о другими литогенетическими, метаморфическими характеристиками массива, например, с оруденением;

прогнозирование интенсивности трещиноватооти; прогнозирование прочности трещиноватого массива. В результате анализа структурных особенностей рудных тел Джезказганского месторождения были выявлены 4 системы трещин, из них три являются тектонического происхождения и одна - литогене-тическая[3, 19, 22].

Оруденение серых песчаников происходило в виде замещения зерен кварца и заполнения межзерновых пустот рудным минералом. Последнее послужило отправным пунктом в прогнозировании интенсивности трещиноватых руд Джезказгана, Гаометризация оруденения основных рудных тел мзотороадения по геологоразведочным и эксплуатационным скважинам и геометризация их структурных особенностей позволили установить связь"' ме«иу интенсивностью трещиноватооти и оруденением в виде

где V/ - интенсивность трещиноватооти рудного тела в любой точке, IV * I м3/У{ ; <*= 0,00353С2 + 0.0546С + 0,773; С - интенсив-

19, 22]:

(I)

(2)

ность оруденения, мэтропроцэнты; £ = 0,0020ВС* + 0,0605 С + + 0,876; - объем структурного блока, м3; С - среднее орудене-ние по залежи, метропроценты.

Уравнение (2) удовлетворяет следунцим условиям:

1. Если среднее оруденвние по залежи С убывает, то дМ/дС возрастает.

2. Частные уравнения связи выпуклые, т.е. Ъ1\М/дСг< 0 ,

3. Уравнение (2) действительно при 0</ < I, 50 и 0<С€ 24,7.

Расчет прочности трещиноватого массива блочного строения, в котором в качестве элементарно деформируемой единицы выступает структурный блок, осуществляется по формуле [б, 22]

• (3)

N

где С„-1Л , В - параметры распределения прочности, определяемые по экспериментальным данным; для Джезказганского месторождения <а„-1П = 17,2 МПа, 6 = 87,6 Ша; N - отношение объема деформируемого массива V к объему структурного блока .

Погрешность значений прочности трещиноватого массива, опре- . деляемых экспериментально, как правило, не прёшшает 20$. Без учота этой погрешности исходных двух значений статистического ряда формула (3) дает погрешность 1-4 % в определении прочности массива на сжатие, сдвиг, изгиб, разрыв. Зная значения параметров выражений (2) и (3) и располагая планами оруденения по валёжам, можно определить прочность трещиноватого массива в любой точке. Для определения прочности проектных целиков использовались планы изомощностей рудных тел и интенсивностей трещпно-ватости, построенные по данным оруденения.

На основа принципов геометрии недр поле значений прочности массива отображается графически в изолиниях предельных напряжений. Планы изолиний прочностей маждукамерных целиков представляют практическое значение: позволяют о наименьшими потерями металла" расположить м0ждухамеркш~и"панедь(ше (массивные) целвки на рудном поле, управлять горным давлением, размещая поддерживающие целики меньшего сечения на участках с интенсивной раздробленностью. По данной методике построены прогнозные планы прадоль-' ной прочности трещиноватых целиков , (диаметром 8 м) залежей "Кресто-4-1п, "Покро-север 31".

Критерии квазиизотропии и масштабный эффект в трещиноватых средах

Принимая во внимание доминирующую роль трещин в процессе сдвижения горных пород, их классифицируют по степени совершенства: в зависимости от протяженности, прочностных связой, вероятности реализации в поверхности скольжения. При сдвижонии пород ввделено пять типов трещин по степени совершенства [24].

Трощиноватый массив - это механическая система первичных элементов - структурных блоков, объединенных связями так, что они, работая в системе, придают ей новые механические свойства, при этом не менял механических свойств в самом структурном блоке. Из данного определения вытекает, что структурный блок должен быть соизмерим с массивом, так как иначе он теряет свою индивидуальность. Проф.Л.Г.Фисенко установлено и нами экспериментально подтверждено возникновение зоны скольжения с поворотом структурных блоков при сдвижении горных пород [2,25].

Вероятная ширина зоны скольжения, в которой сцепление между блоками потеряно, будет

гдеР- вероятность совпадения трещин с поверхностью скольжения, Р= 0,1-0,18, в среднем Р= 0,14; К, Кт - сцепление горных пород в монолите и по трещина соответственно; т - размер структурного блока по высоте, м; N - число систем трещин в массиве.

В результате построения графо-статистических моделей и веро-ятностно-отатистического анализа трещиноватого массива блочного отроения с фиксированной поверхностью сдвига выявлено, что плотность распределения частот расстыковки структурных блоков, играющих заметную роль в механизме их взаимодействия, определяется кривой Пирсона типа I (К < 0).

Из анализа механико-вероятностной модели сдвига трещиноватого массива установлено, что угол внутреннего трения трещиноватого массива не является ¡постоянной величиной и возрастает при вращении структурных блоков в зависимости от интенсивности трещиноватости, угла падения трещин и соотношения размеров блоков, достигая двойного витания угла внутреннего трения монолитных пород '[25].

Значение угла внутреннего трения блочного массива у>и определяется по выражению

к со s j> '

где - угол между поверхностью скольжения и пологой системой трощин; j>T - троние по трещине; к , т - размеры структурного блока вдоль и поперек поверхности скольжения; <х - угол между лобовой площадкой и поверхностью скольжения; S, - длина поверхности скольжения; j> - угол внутреннего трения в монолите.

Здесь могут быть особые случаи [2,25]: . , %

1. При с*0= 0 и несоблюдении условия Ца.» ^¿"А '¿^/¿+/>7 • когда ие наблюдается среза выступов, скольжение происходит по пилообразному контакту с возможным проявлением дилатансии:

2. При определенном соотношении размеров структурного блока и значений а и осв второе слагаемое формулы (5) равно нулю и вращения структурах блоков не происходит. Расчеты, выполненные по формуле (5), дают удовлетворительную сходимость с экспериментальными данными [25] и позволяют определить угол внутреннего трения по пилообразному контакту поверхности скольжения с вращением структурных блоков и их разрушением.

Для трещиноватого массива, представленного несколькими лито-логичоскими разностями, исходные параметры - утол внутреннего трения в монолите и размер структурного блока в выражении (5), принимаются.средневзвешенные по мощности слоев. Под критерием квазиизотропного состояния трещиноватого массива понимается начальное значение интенсивности трещиноватости, с которого массив можно считать квазиизотропным.

На основании многолетних лабораторных исследований на структурных моделях из вквивалентных материалов, натурных данных и анализа вероятностно-механических моделей установлено, что характер деформирования трещиноватого массива зависит: от вида негружения массива - работы массива на скатие, сдвиг, изгиб; размеров деформируемого объекта и их соотношений, ориентирования системы трещин относительно"наиболыйвго главного напряжения и от соотношения контурных напряжений7 в меньшей степени - от прочности породы.

Массив, нарушенный трещинами одной степени совершенства, является квазиизотропным:

при одвижвнии горных пород;

а) размеры массива по линии сдвига достаточно велики, Б,» Н;

<5) отношение размера деформируемого массива к размеру структурного блока равно или более 40, но в каждом конкретном случае определяется выражением (5);

при работе массива на сасатиа [2,4,0,22,24]:

а) отношение ширины целика к его высоте равно и более 3,5; -

б) отношение высоты целика к размеру структурного блока равно шш более 20;

при работе массива на изгиб £1,2,7,22];

а) отношение предельного пролета монолитной кровли к ее мощ-йооги равно или меяээ 5;

б) отношение предельного пролета монолитной кровли к расстоянию между трещинами равно или более 20.

Масштабный эффект в трещиноватых средах зависит от вида работы массива и обусловлен проявлением двух масштабных факторов: абсолютных размеров объекта и их соотношений, и структурного фактора - интеноивяоога трвщиноватости. Определена кривая мао-штабного эффекта трещиноватого массива при сдвиге, которая имеет кусочный характер. Масштабный эффект при сдвиге проявляется о увеличением рассматриваемой области и интеноивяооти трещинова-тости до наступления состояния квазиизотропии, после чего происходит накопление более совершенных трещин, начинающих играть в процессе сдвижения активную роль. При этом механические овой~ отва "в куска" определяются трещинами менее оовериенннми, более низкого уровня. Проявление масштабного эффекта при сдвиге квази-иэотропного трещиноватого массива возможно лишь при увеличении абсолютных размеров исследуемой области,

Геомаханичеоков состояние маосива горных пород определяется потенциальным характером его деформирования в поле гравитации. Определение критерия квазиизотропного состояния массива позволяет разграничить области деформирования (анизотропные, квази-иэотропаые и аяизотродио-кваэииэотрошше), а следовательно, установить правомерность использования математического аппарата сплошной среды в принципы построения инженерно-геологических и геомахааачеоких моделей. Существуют общие диагностические признака квазиизотропноста трещиноватого массива, которые можно разделить на три группы - генетические, геометрические а механи-

чэские. Критерии кваэииэотроиного состояния являются не только своеобразной границей, но и указывают на возможность реализации болов совершенных трещин, предопределяют вероятные параметры искусственно сооружаемых зон ослабления для усиления анизотропных свойств массива или для обращения его из квазиизотропного в анизотропный, таким образом активно управляя геомеханическим состоянием подрабатываемого массива. При тектонических нарушениях в толщо, вызывающих аномалии распределения деформаций, размер блоков, участвующих в процесса сдвижения как единое целое, вооьма различен. Отдельные блоки могут быть значительными по объему пород и при решении некоторых горнотехнических задач их можно рассматривать как отдельный массив, например, если данный блок является основанием поверхностного сооружения. С этой точки зрения представляется перспективны/л создавать искусственные разрывы сплошности массива и, соответствующим образом регулируя параметры этих разрывов, воздействовать на характер развития" процесса сдвижения таким образом, чтобы исключить возникновение" разрушающих деформаций в основании подрабатываемых объектов. При этом сооружаемые искусственные зоны ослабления, приводя подрабатываемый массив в анизотропное состояние, обязаны обеспечить квазиизотропность массива.пород, ими оконтуренного. Это возможно при собдодонии двойного неравенства:

Л (6)

где Н - глубина зон ослабления (щелей); - размер структурного блока.

Научные основы активного управления геомеханаческим . состоянием, сдвижением и деформированием подрабатываемого массива горных пород Научной основой активного управления гесмеханическим состоянием, сдвижением и деформированием подрабатываемого массива горных пород с помощью глубоких экранирующих и компенсируювих щелей является создание искусственной анизотропии с соотватствуппими ей наведенными деформациями и напряжениями, вызнващей аномалии в напряженно-деформированном состоянии массива в зависимости от геометрических параметров щелей и степени их совершенства. Глубокие щели сооружаются с целью:

полной выемки полезного ископаемого под охраняемым объектом; сокращения предохранительных целиков;

защиты поверхностных объектов от вредного влияния сдвижения горных пород.

• Принципиальная сущность способа защиты поверхностных сооружений глубокими щелями заключается в том, что по контуру охраняемого здания с определенной бермой сооружается щель заданной глубины, которая заполняется пластичным материалом [ 5, 9,12,13]. В зависимости от того, проходят ли горные работы под поверхностным объектом, или охраняемый объект находится в краевой части мульды сдвижения, глубокие щели сооружаются по замкнутому или незамкнутому контуру; когда появляется возможность подсечь поверхность сколькения. Охрана коммуникаций сооружения осуществляется в обычном порядке, однако, амортизирующие и компенсирующие вставки долины быть расположены в местах перерезания коммуникаций щелью.

Основной принципиальный способ защиты зданий .глубокими экранирующими и компенсирующими щелями имеет 12 технологических вариантов, которые применяются в зависимости от поставленных задач охрани и получения1 наибольшей экономической эффективности (табл. I и 2). Варианты основного способа защиты зданий сконструированы и технологически разработаны о учетом не только ожидаемых деформаций охраняемого основания со стороны пологих или крутопадающих, плаотов, но и преобладающих деформаций в мульде сдвижения [15, 17,20,21,29,30].

Например, усиленный вариант способа защиты здания составными и смещенными щеляш за счет приближения последних к зданию и расположения в треугольнике пассивного давления позволяет снижать давление на фундаменто-подвальную часть здания в 2 раза и более и дополнительно снижать вредные деформации путем перфорации толщи пород окважянами, увеличивая эффективность способа и выравнивая эффект работы глубоких щелей в области сжатия и растяжения [зо]. В местах выхода зоны обрушения на поверхность предохранительные целики могут быть существенно сокращены,на 70$[23].

В условиях выхода тектонического нарушения под охраняемое здание в Ьои сооружается деформационный шов, являющийся продолжением поверхности скольжения и аккумулирующей деформации, а глуби-ва щелей о разделением оонования соответственно уменьшается (табл. 2) [29]. Принцип сочетания глубоких щелей о деформационными швами в здании позволяет подрабатывать удлиненные здания по длинной стороне.

Таблиц« 1

ОСНОВНОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЙ СПОСОБ ЗАШИТЫ ЗДАНИЙ ГЛУБОКИМИ ЩЕЛЯМИ И ЕГО ВАРИАНТЫ

Тип м схема способе Наименование, краткое описание и особенности вариантов Примерная эффективность способа

"тЧг Основной способ оашить» здания глубокими (целями При деформации земной поверхности С" 0-8 мм/м снижает деформация в в раз н более

¿1 Вариант экранирования деформаций при оставлении предохранительного целика При выходе зоны обрушен«« на поверхность, целик сокра— швотс я до 70%

тЧ Усаленный мрмант способа управление деформнровеннем составными смешанными целями При деформации домной , поверхности £>10 мм/м снижает деформации в 6 раз и более

' П То жо, но с созданием основной шеям как зоны дробленая При деформации земной г поверхности £ « 10 мм/м снижает деформации к 5*8 раз

в п чиУ Вариант уп ре мок и я деформированием шелямн к зоной дроблении нмже фунда- ' мента При деформации земной поверхности ££в мм/м снижает деформация в 3-4 раза

1 Вариант управления дефорь., мнромииом смошсинымл зона мл ослабления с разрушением МОЖСКВАЖИНМЫХ ЛОрО-мычек япш без разрушения При££в мм/м, снижает деформацию в 2-3 раза при перфорация земной поверхности на глубину фундамента и в 4 раза с разрушением меж-скважинных перемычек в смешенной частя

г пДг Способ траншей на глубину фундамент* При деформации земной ' поверхности £>2-4 мм/м снижает деформация в 2 раза

Таблица 2

ОСНОВНОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЙ СПОСОБ ЗАШИТЫ ЗДАНИЙ ГЛУБОКИМИ ЩЕЛЯМИ И ЕГО ВАРИАНТЫ

Тия и схем« способа Наименование, краткое описание и особенности варианте» • Примерная эф|юктииность способа

"г—-^ К\00№®\ Щели сооружаются по замкну-* тому контуру, при последовательной подработке отдельны* ми павами глубина щелей может быть неодинаковой Сокращенно трудоемкости работ но сооружению шо-лей. Возможность сооружения шелой последовательно в зависимости от графика работ отдельных пяь

ш^ Щеля сооружаются со стороны подработки по незамкнутому контуру в краевой частя мульды сдвижения глубиной до потенциальной поверхности скольжении Образуется единая деформируемая система 'породная призма-здание (часть здания)*- Сокращение трудоемкости работ по сооружению шелгй

П При выходе потенциальной поверх-костя скот>жекнв под здакие продолжением ее служит деформационный шов, разделяющий здание на единые деформируемые блоки 'порода-отсек адаимя* Использование тектонических нарушений в качестве щелей сокращена глубина щелей за счет . устройства деформационного шва

1) 1 1) /

I I1 } 1 '| Разделение удлиненных зданий, неблагоприятно ориентированных« аеформаинонными швами на от~ секи Повышение эффективности работы глубоких шелей н сокращение трудоемкости работ по сооружению

п При выходе зданий за пределы мульды сдвижения, деформационные швы сооружаются иа контурах сдвижении земной поверхности Сокращение периметра глубины шолей: шели сооружаются по замкнутому контуру в средней частя здания с продолжением як в зааиия

ш Го ж«, что в схеме УШ, ко в месте выхода потенциальной по-^ верхности сдвижения на земную поверхность в здании устраиваете* деформационный шов, образуя единую деформируемую систему 'породная призма - отсек ада« ни я". Сокращение глубины шелей

Способ защити поверхностных сооружений глубокими экранирующими и компенсирующими щелями не затрагивает конструкции охраняемого здания, но меняет его архитектурного облика и поэтому может бить использован в комбинации со строительно-конструктивными и горними защитными мероприятиями. Он может на порядок снижать вредные деформации земной поверхности и особенно эффективен в няиболое тяжелых условиях подработки.

В процессе сдвижения горных пород и земной поверхности глубокие щоли выполняют следующие функции ¡23, 26]:

геометрически отделяют оконтуренный щелями блок горных пород от окружающего массива;

служат поверхностями скольжения за счет уменьшения трения горных пород и уменьшения практически до нуля сцепления;

предотвращают распространение сдвижений и деформаций на охраняемое основание, являясь своеобразным экраном;

разряжают деформации в межщелевом пространстве аккумулируя их и компенсируя собственными деформациями;

снижают концентрации напряжений за счет гидростатического перераспределения давлений в заполнителе.

Закономерности сдвижения и деформирования земной поверхности и горных пород при наличии в них глубоких щелей Блок массива горных пород, отрезанный щелями от окружающих его пород и потерявший с ними связь, вовлекается в процесс' сдвижения позднее из-за реализации в поверхности скольжения ближайшей к забою щели. По этой же причине происходят сдвижения охраняемого основания в условиях сжатия околоблочяого пространства со стороны ближайшей щели, когда деформации растяжения, идущие в авангарде волны деформаций, будут уже перемещены эа ближайшую щель.Время пребывания охраняемого основания в процессе сдвижения горных пород регламентируется параметрами щелей. Оконтуренный щелями блок пород с опаздыванием включается в процесс сдвижения и раньше из него выходит.

Исследования сдвижения охраняемого основания глубокими щелями при глубинах горных работ 76, 100, 200 и 400 м .показали, что кривые скоростей вертикальных смещений охраняемого основания имеют два максимальных значения: одно соответствует сдвижению основания после сдерживающего влияния щелей при подходе горных работ, второе - при прохождении горных работ под блоком и при прохождении забоем дальней щели. Во втором случав максимальное

значение вызвано оседанием пород,, служащих основанием монолитному блоку. Спад скоростей смещения охраняемого основания между экстремальными значениями обусловлен образованием ниже блока повышенной зоны интенсивного трещинообразования и разуплотнения за счет избыточной кинетической анэргии [17, 21, 23, 26].

Глубокие щели уменьшают сдвижения охраняемого основания прямо-пропорционально глубине, если блок горных пород не входит в зону трещинообразования, равную 30-35 м. В противном случае скорости вертикальных сдвижений блока возрастают и при определенных значениях ( Н>0,6 Н) вертикальные сдвижения превышают вертикальные сдвижения вне блока.

В околоблочном пространстве является характерным, что вертикальные одвижения и наклоны земной поверхности со стороны по-двигания забоя превышают вертикальные сдвижения и наклоны за блоком, горизонтальные же сдвижения, наоборот, меньше соответствующих значений у дальней щели. Вертикальные и горизонтальные деформации околоблочного пространства в зоне влияния щелей являются заниженными, не достигая соответствующих значений в мульде сдвижения: отрицательными у ближайшей к забою щели, положительными у дальней щели.

• Напряженно-деформированное состояние в блоке пород формируется независимо от глубины горных работ максимальными касательными напряжениями: у ближайшей щели они занижены на 30^-35$ за счет экранирующего влияния самой щели, у дальней щели проявляются в полной мере. Относительное выравнивание максимальных касательных напряжений в блоке о общим их понижением по вертикальным сечениям наступает после прохождения забоем блока. Перенапряженные участки сдвигаицего массива, включая и оконтуренный щелями блок пород, обладают пониженным запасом устойчивости. Нагрузка здания и вызванная ею концентрация напряжений в основании охраняемого здания имеет локальный характер и не вносит существенных изменений в распределение напряжений в блоке.

При выходе зоны трещинообразования на {Темную поверхность трещины разрушают нижнюю часть блока, не выходя в охраняемое основание, под углами вдвое положе углов разрыва на данном месторождении. Высота оставшейся монолитной части блока f подчиняется следующей эмпирической зависимости [23]:

где £ - расстояние между щелями, выраженное в долях от глубины щелей к . '

Оконтуренный щелями блок пород участвует а дроцесое одвижа-ния как монолитное твердое тело, а при отрыве блока в нижней части - подобно плавающему основании. В результата запаздывания и расклинивающего действия блока на земной поверхности появляется зона сжатия вместо растяжения, дополнительно этим компенсируя растягивающие деформации в охраняемом основании. Кривизна а горизонтальные деформации в основании уменьшаются по экспоненциальному закону. Ширина щелей в области деформаций растяжения, как показали эксперименты, на имеет существенного значения и служит исключительно для компенсации деформаций сжатия. Кроме того, наблюдается выравнивание суммарной эпюры деформации в основании здания за счет наложения деформаций взаимодействия подошвы фундамента о грунтом, нарастающих от центра к краям здания, на деформации на поверхности блока, достигающие, наоборот, максимальных значений в середина основания[2б].

Метод расчета сдвижений и деформаций земной поверхности

и горных пород в охраняемом основания сооружения Расчет о движений и деформаций в охраняемом основании предусматривает промежуточный этап - определение параметров с движений в мульде сдвижения и на горизонте глубины щелей, о целью задания граничных условий на нижнем контуре блока.Извесгны теоретические решения по определению одвикений земной поверхности и горных', пород, позволяющие получить данные при условии достаточной изученности месторождений.

В сдвигающемся массиве выделяют неоколько зон, каждая из которых оледует своему ааксну деформирования. Выделяя линейно упругую зону массива, задачу решают [2в], базируясь на основных уравнениях упругооти при следующих допущениях: наличии плавного прогиба, адекватного упругому олою, а пренебрежении объемными силами [10, II, 15, 16, 233. Решение основных уравнений творив упругоотя в перемещениях {уравнениях Ламе) находим методом Бусь-овиеока о использованием задачи Дирихле для полупространства.

Рассмотрена проотранотвенная задача, которая оформулироваяа как вторая основная задача теории упругооти. Определено влияние границы подубвоконачной . области ва вадряжвнно-деформаровандое соогояние массива, т.е. замена пшооы полуплоскостью [1б],

Сопоставление решений, полученных в условиях плоской ведачи (о полосой и полуплоскостью), о ооответс*вующими решениями пространственной задачи показало, что в условиях долной подработки земной поверхности, когда размеры выработки 2$ в 2 раза ж болм 1В

превосходят размеры 2а , корректно ограничиться решением плоской задачи о полуплоскостью. Принимая это во внимание, определяем параметры сдвижения земной поверхности [16, 23] по выражениям:

а-х * а+хТ 1атг(х2-гг-а)

V]'

(8)

т Г .а-х , 2атг(х'-гг-а)

+атхг1

Полагая Я" н^ , х = 0 и а , получаем максимальные значения вертикальных и горизонтальных сдвижений:

2т а. гатНн„.

------- у/у (

г? ^'Уу>

к«

•л-'

где <? - коэффициент Пуассона, определяемый в каждом конкретном случае как средневзвешенный по мощностям горных пород.

Глубина упругой зоны при разработке месторождения о закладкой выработанного пространства принимается равной глубине горных работ, в остальных случаях равна глубине горных работ за вычетом зоны трещинообраэования.

Предложенный метод расчета дает погрешности в допустимых

границах, а именно,_значения средних квадратических отклонений

^ каждой точка мульда сдвижения не превышают: по сдвижениям ±20%, по вертикальным в горизонтальным деформациям ±40?. Получены выражения для определения кривизны, наклонов и горизонтальных деформаций, но удобнее их получать путем численного дифференцирования соответствующих уравнений (В).

Вертикальные 2 горизонтальные сдвижения в охраняемом основании поверхностного сооружения в рабочем диапазоне глубины щелей (О < Я <6 0,5 Н) в общем виде выражаются через сдвижения земной поверхности:

Vя У . . / ■ * ,-+ О)

. (Н-к)(сЦ5е+сЦ

ЩсЩ+с^е ' <10)

где йИ = Н-(Н~ 55т) 0 ; Ир - коэффициент разуплотнения, изменяющийся в диапазона 0,3-0,8$, К. - т~Чт ^; Н' - мощность

Г /Г)

разуплотняющейся толщи пород, равная глубине горных работ за вы-чотом высоты зоны обрушения.

В случае, когда глубокие щели не входят в зону трещинообразо-вания 0), сдвижения охраняемого основания определяются

по выражениям:

при подработке по простиранию пласта

'при подработке по восстанию пласта

при подработке по падению пласта

Математическая формулировка задачи расчета деформаций в охраняемом основании следующая £[&]: найти значение гармонической функции внутри прямоугольника, если известны ее значения на четырех его сторонах при неизменности, объема пород в блоке. Поскольку горизонтальные деформации £ж и кривизна А - гармоничного

кие функции, ибо являются производными от гармонических функций, ' то они удовлетворяют уравнениям Лапласа. По боковым граням будем иметь

на бесконечности ех\ »0; VI =0.

(у**®

Решая задачи Дирихле для гармонических функций ех и к в полу-полосэ методом Фурье (методом разделения переменных), получаем выражения в виде ряда, удовлетворяющего поставленным граничным условиям. Так как полученные ряды быстро сходятся (за исключением малых значений у ), то при расчетах достаточно ограничиться одним членом ряда.

Горизонтальные сдвижения под блоком обуславливают появление горизонтальных деформаций и кривизну, а вертикальные сдвижения -кривизну и горизонтальные деформации.

С учетом этого деформации в блоке пород будут:

Максимальные деформации в охраняемом основании возникают при х*(/1 . Принимая это во внимание и полагая у* к , получаем

(II)

(12)

где

I

Коэффициенты А, и 9, определяются методами численного интегрирования, например, по формуле трапеций, •

Расчет параметров глубоких щелей, проченных по замкнутому контуру Расстояние между щелями ? в направлении подвигания очиотного забоя регламентируется габаритами охраняемого поверхностного сооружения с учетом бермы. Остальные параметры щелей - глубина Л и ширина т, , определяются расчетом. В трещиноватых среда* глубина щелей должна отвечать условию (6), а в тяжелых условиях подработки (б 8 мм/м, /? « 2 км) с уступо- и тращинообразованием на земной поверхности она должна быть не менее раоотояния между щелями и уточняется по формула вероятности попадания Р хотя бы одной трещины в основание, охраняемого щелями [23]:

Р = 1 - е*р|-[л£ еяр-(0,1Н)]}, <13>

где Л - плотность трещин на. земной поверхности, Я равна числу трещин, приходящихся на I м.

Степень снижения вредных деформаций определяется как частное от деления расчетного показателя суммарных деформаций на нормативный согласно действующим "Правилам охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях" (М., Недра, 1981, 288 о.). Разделив максимальные вертикальные и горизонтальные деформации земной поверхности на коэффициент снижения, получим допустимые деформации охраняемого объекта. Глубина • щелей, обеспечивающая заданный уровень деформаций, рассчитывается по формулам [30]:

'с. "^су^тз-н^з.

н" Щг-'

(14)

^ ^[У,+№4,3-4^] (1б)

'71/ I

Из двух значений глубины щелей,определяемых по формулам (14) и (16), принимается наибольшее.

Во избежание извеотяых погрешностей, о вязанных о упругой моделью, решение в упругой постановка попользуется только для получения коэффициента снижения деформаций Коэффициент снижения деформаций в реальном'массиве К связан с коэффициентом снижения деформаций в упругой среде К, оледущшд образом: К» , где го = 2 для деформаций сжатия й т = 1,7 для деформаций растяжения.

На практике, без заполнения щелей раствором, можно принимать К — Кд .

Ширина щелей т, определяется по формула

СХ6)

где те, т„ - коэффициенты условий работы, осредняицие деформации и определяемые в действующих "Правилах охраны..."; е , £, - горизонтальные деформации сжатия в мульде и в охраняемом основании; К , (?, - радиусы кривизны в мульде и в охраняемом основании.

Для вариантов основного способа ширина компенсационного пространства устанавливается по неравенству_

, {17)

где - коэффициент разрыхления материала заполнителя; В - размер призмы выпора, м, В= к9Ьд ; $ - берма, м; к^ -глубина заглубления фундамента, м; р - угол внутреннего трения, град.

Расчет параметров глубоких щелей, пройденных по незамкнутому контуру В случае, когда охраняемое сооружение находится в краевой части мульды сдвижения и испытывает чаще всего деформации одного знака, что характерно для крутых пластов, глубокие щели сооружаются со стороны ик распространения, подсекая потенциальную поверхность скольжения.

В области влияния глубоких щелей деформации в охраняемом основании распределяются следующим образом [23]:

.-«и

(18)

где е0 , к0 - горизонтальные и вертикальные деформации земной поверхности на контуре охраняемого основания; I - размер охраняемого основания, ограниченный областью влияния щелей. Выражения (18) отражают граничные условия: при х = 0 £х = £„ , ^ » V,; при х = ео 6Д= о , кх = 0 . Суммарные деформации д? в охраняемом основании:

&е= £ви(»-е*'Л;. (в)

Аналогичная запись будет и для кривизны. ■ Глубина щелей определяется глубиной залегания потенциальной поверхности скольжения,которая может быть плоскостью сместителя, тектоническим нарушением и т.д. При отсутствии таковых глубина щелей определяется по общей формуле

k-tt9fi*ktli-ctgift9p),

где р - уголь сдвижения вкрест простирания пласта, град; h„ -мощность наносов, м; f - утол сдвижения в наносах, град.

Технология сооружения и заполнения глубоких щелей Сооружение глубоких щелей осуществляется землеройными машинами и буровзрывным способом, перфорацией пород скважинами большого диаметра или с гидроразрывом межсхвахинных перемычек [15, 18, 23, 26, 30].

При машинном способе сооружения щелей и гидроразрывом берма равна асфальто-битумной отмостке фундамента, т.е. не более 3 м от стенки фундамента, при сооружении щелей с помощью энергии взрыва она может быть увеличена до 8 м. Сооружение щелей о помощью энертии взрыва является менее трудоемким и заключается в том, что по контуру охраняемого основания бурится цепочка скважин без обсадки и выхода керна диаметром 90-130 мм. Скважины бурятся самоходными высокопроизводительными установками вращательного действия через 0,7-1,0 м между центрами окважин в зависимости от требуемого совершенства зон ослабления и способа их приготовления.

В условиях тесной городской застройки и повышенной сейсмо-опасности для сооружения щелей глубиной 50 м и более используется комбинированный способ их сооружения - перфорации пород с буровзрывным способом: верхняя часть щели, глубиной до 20 м, разбуривается в промежутках мевду скважинами малого диаметра скважинами большого диаметра (£¿=300-600 мм) так, чтобы расстояние породного целика между ними не превышало двух диаметров скважин [26, 2"j]. При сооружении сквозной щели, без породных перемычек, во избежание обрушения стенок она заполняется пластичным материалом по специальному рецепту из глин о добавками, обеспечивающими не коагулирувдий устойчивый раствор ва период активной стадии процесса сдвижения [б, 14, 15, 23J.

Оценка эффективности работы глубоких щелей Эффективность работы.глубоких щелей оцалаваетоя коэффициентом снижения деформаций, получаемым как отношение максимальных

деформаций в отдельных точках земной поверхности к одноименным деформациям охраняемого основания, или как отношение суммарных деформаций земной поверхности к одноименным суммарным деформациям основания. При знакопеременных нагрузках подрабатываемого здания эффективность работы глубоких щелей оценивается обобщенным показателем эффективности К} , который является мерой оценки

п — 1

снижающих эффектов в зонах растяжения и сжатия: К, = —е——

' пс- 1

где пр , пе - коэффициенты снижения суммарных деформаций как в области растяжения, так и в области сжатия.Предложенный способ позволяет подрабатывать поверхностные объекты без остановки горных работ и материальных затрат, необходимых для оформления или расконсервации предохранительных целиков.

Как показала практик!, использование в угольной промышленности способа защиты зданий глубокими щелями дает прибыль не менее I руб. с каждой тонны извлекаемых' под зданием запасов утля.

Область использования способа защиты зданий глубокими щелями

Способ 3aayiVJ_зданий глубокими щелями предназначен для

охраны подрабатываемых отдельных поверхностных сооружений гражданского и промышленного назначения. Но это не исключает его применения для охраны группы зданий, если цели одного здания могут служить щелями другого, ила когда' они располагаются в краевой части мульды сдвижения. Его целесообразно использовать для защиты территории, подлежащей застройке. В этом случае он применим как самостоятельно, так и в комплексе с разделением здания деформационными ивами на отсеки, на площадках осложненных тектоническими нарушениями, создавая единый деформационный блок "порода - отсек здания" [29]. Большинство подрабатываемых зданий (в г.Караганда, г.Прокопьевск и др.) построены без каких-либо защитных мероприятий. Ввод строительно-конструктивных мероприятий в построенные здания невозможен.Поэтому способ защиты глубо-1шм¥Тцаляма находится вц8К01шуре нцил для охра 1ш~по до б mix "зданий, особенно в тяжелых условиях подработки при деформациях земной поверхности более 8 мм/м и радиусе кривизпн менее 2 км. Он может быть использован для охраны подрабатываемых и подтопляемых зданий в комплексе с дешевыми видами закладки выработанного пространства, используемой для предотвращения опускания земной поверхности ниже уровня грунтовых вод. Глубокие щели имеюг многоцелевой назначение, одновременно выполняя роль дрен в маломощных водоупорах и сойсмоэкранов от поверхностных сейсмических волн.

■ ' '25

Область применения описанного способа ограничена по геологическим условиям: из-за неустойчивости стенок щелей он не может быть использован в песках и супесях; при выходе тектонического нарушения под основание построенного здания, создавая альтернативу процессу сдвижения; в трещиноватой среде, в случае нарушения условия (6).

Основные результаты испытания способа защиты зданий глубокими.щелями В результате подработки (кратность 76 мУ2,5 м >30) горными работами шахты Л 1-1 бис Марганецкого ГОКа охраняемого основания размэром 30x30 м щелями глубиной 40 м и заполненными глинистым раствором получены следующие данные.

Наиболее неблагоприятным дм подработки охраняемого основания явилось положение забоя под ближайшей щелью. В результате того, что щель от поверхности до глубины 4 м не была приготовлена, относительные горизонтальные деформации сжатия были снижены

С -г о Т

только в 3 раза ( 1 „). Относительные горизонтальные де-

18,0-Ю"3 ро и.тп-з

формации растяжения снизились в 8 раз ( 1 а ), кривизна - в

12 раз (3,07-ИГ; 1/М) [2Э], З'8"10'

0,26-Ю"3 1/м _____

Средняя часть блока участвовала в процессе сдвижения как

единое монолитное основание. Здание школы К 18 в г. Березовский сложной конфигурации защищалось по варианту составных смещенных щелей, где основная щель глубиной 32 м приготовлялась с оставлением породных перемычек и поэтому не заполнялась тлинистым рао-. твором. Основные щели сооружались буровзрывным способом в трещиноватых коренных породах, прикрытых 6-метровым "слоем глины, с оконтуриванием основания 50x70 м. Здание было подработано лавами 13-17 и 13-15 шахты "Первомайская" ПО "Северокузбаосуголь" на глубине 183 м по пласту XXI-ому о падением 10° и вынимаемой мощностью 2,9 м [26]. Данные об эффективности работы глубоких щелей представлены в табл. 3.

Для аащиты здания бывшего Казахского драматического театра были сооружены глубокие щели: по короткой стороне здания глубиной 60 м, по длинной стороне - 25 м. Размеры охраняемого основания составили 84x56 и. : Здание - одно-двухэтажное оо сложной внутренней планировкой и о глубиной^ «цшлаГз и, построенное, в 1938 г., ориентировано в направлении наибольших деформаций растяжения земной поверхнооти. Здание подработано лавами 144 К,-8

и 144 Kj-6 на глубине 400 м с суммарной мощностью пластов 6,3 м. Максимальные расчетные деформации растяжения в здании составили "10,1 мм/м при радиусе кривизны, равном 5 км, и работе лав 144К, - 6 , 144 Кг - в , 134Кj- & и 134 К2 - S . Это требует снижения коэффициента по суммарным деформациям в 5,5 раза. Наблюдениями филиала ВНИМИ при подработке здания установлено: оседания составили 28/2,кривизна - 04$, горизонтальные деформации - 44$ от расчетных значений сдвижений земной поверхности при подработке лавами 144 и 134 по двум пластам. Из этих данных видно, что деформации в охраняемом основании не достигли допустимых значений и имеется существенный запас для принятия деформаций от соседней, удаленной от здания, лавы 134К,-6 , К2-S . Несмотря на это, все основные закономерности сдвижения и деформации земной поверхности подтвердили отмеченное ранее. При подработке трехэтажного здания профилактория размером 61x15 м, построенного на сваях и насыпном грунте, максимальные сдвижения и деформации достигают 1,4 м и Эмм/м, их необходимо снизить в 2 раза. Здание профилактория подработано на глубине 150 м пластом 26а мощностью 2,4 м. Соглаоно проекту здание будет подрабатываться овитой пластов. Глубина щелей составила 30 м. D результате маркшейдерских наблюдений фактические сдвижения и деформации достигли 0,5 м и 4 мм/м, что привело к снижению деформации в здании в 2 раза. Здание сохранено. >

Таблица 3

Коэффициенты снижения деформаций

Вялы деформаций по отношениям максимальных деформаций в точке, раа по отношениям показателей суммарных деформации, раз обобщенный показатель

Растяжение Горизонтальные Вертикальные . ,7.2(iLыа±) ' 8,4-30-3 0,28-ICP5 5,6 0,7

Сжатие Горизонтальные Вертикальные -1,9-10 83,3(^,83-10^ -0,31-10-3 7.4

Способ защита здащй глубокими щелями нв подменяет существующие меры защиты подрабатываемых объектов, а существенно допол--няет и усиливает арсенал средств охраны зданий, позволяет гарантированно осуществлять выемку полезного ископаемого под объекта- _ ми в разнообразных горно-геологических условиях. Экономический и социальный эффект использования способа глубоких экранирующих и компенсирующих щелей очевиден.

Расконсервация запасов угля в предохранительных целиках под гражданскими зданиями и промышленными сооружениями эквивалентна вводу 60 угольных шахт производитвльноотью I млн. г в год и ороком эксплуатации не менее 50 лет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результата многолетних комплексных исследований в лабораториях и натурных условиях решена крупная научная проблема повышения полноты извлечения полезных ископаемых из недр и защиты поверхностных сооружений на подрабатываемых территориях, имеющая огромное народнохозяйственное и социальное значение.Это позволяет сделать следующие основные вывода:

1. Способ управления сдвижением и деформированием подрабатываемого массива горных пород с помощью глубоких щелей путем окоятуриваная охраняемого основания здания позволяет сохранить здание от разрушения и деформаций в процессе сдвижения горных ' пород. Способ защиты зданий глубокими экранирующими а компенсирующими щелями и его варианты не зависят от конструктивно-деформационных особенностей зданий и могут быть использованы как самостоятельно, так и в комплексе со строительно-конструктивными и горными защитными мероприятиями в дисперсных и трещиноватых средах. Способ характеризуется высокой эффективностью, экономичностью, особенно в тяжелых условиях подработки и при охрана, зданий, построенных без защитных отроитвльно-конотруктивяых мероприятий. ..

2. Грещаяовагый массив горных пород дискоятияуальяого строения, подверженный сдвиговой деформациихаракгеризуетоя увелич а-нкем угла внутреннего зрения аа счет вращения структурных блоков, который моаат достигать двойного значения угла внутреннего трения монолитных пород. Прогнозирование прочности трещиноватого массива блочного отроения осуществляется о погрешностью на более 25£, а установление связи интенсивности тредановатости массива горных пород на примере Джезказганского месторождения позволяет 26

прогнозировать прочность массива по данным геологоразведочных работ.

3. Масштабный эффект в трещиноватых средах зависит от вида работы массива и обусловлен проявлением масштабных факторов: абсолютных размеров объектов и их соотношений, и интенсивностью трещиноватости. С учетом этого определены критерии квазиизотропии массива, нарушенного одинаково совершенными трещинами. Установлена качественная кривая масштабного эффекта при сдвиге, которая имеет кусочный характер, раскрывает закономерности участия трещин в процессе разрушения и деформирования массива и предусматривает увеличение размеров элементарно деформируемой единицы о расширением области исследования всего массива.

4. Искусственно создаваемые в массиве пород зоны ослабления выполняют следующие оояовдие функции:

__в зависимости от геометрических параметров и степени их

совершенства усиливают анизотропность деформируемого массива или I Изменяют его геомеханическое состояние, переводя из квазиизотроп-яого в анизотропный и, наоборот» в квазиизотропное в ограниченной щелями части .шссива;

служат в качестве поверхности скольжения, являясь экраном и предотвращая распростраяеша сдвижений и деформаций в охраняемое основание;

разряжают деформации в межщелевом пространстве, аккумулируя их я компенсируя шириной ¡цели".

5. Закономерности сдвижения и деформирования охраняемого основания глубокими экранирующими и компенсирующими щелями сводятся к следующему:

оконтуренный щелями блок горных пород участвует в процессе одвижешя как монолитное твердое тело, при отрыве блока в нижней части - подобно плавающее основанию, которое в результате запаздывания а расклинивающего действия обуславливает появление зон о обратным: знаком;

охраняемое основание наклоняется в сторону забоя, занимая конечное пояснение, близкое к исходному; уменьшаются сдвижения и время пребывания охраняемого поверхностного сооружения в процессе одаинения пропорционально глубине щелей, что благоприятно влияет иа его состояние;

скорости вертикальных сдвижений охраняемого основания не пре-зышаят""одноименных значевпй в мульде сдвижения и характеризуются волнообразным, бипиковым распределением;

в результате затухания деформаций в блоке пород по экспоненциальному закону и механизма его взаимодействия о окружающим массивом на. порядок могут быть снижены деформации.которые уменьшаются от оереданы к периферии основания и выравниваются за счет положения горизонтальных деформаций от силового взаимодействия подошвы фундамента здания с грунтом.

6. Закономерности сдвижения и деформации окодоблочного пространства установлены следующие:

вертикальные сдвижения и наклоны со стороны подвигания забоя превышают вертикальные■ сдвижения и наклоны аа блоком и,наоборот, горизонтальные сдвижения меньше соответствующих значений у дальней щели;

вертикальные и горизонтальные деформации в зоне влияния щелей являются заниженными, не достигая максимальных значений в мульде сдвижения, - отрицательными у ближайшей к забою щели, положительными - у дальней щели. '

7. Метод расчета сдвижений и деформаций земной поверхности в условиях создания глубоких щелей позволяет определять юс параметры и обеспечивать надлежащий уровень одижеяия деформаций в охраняемом основании.

Основное содержание диссертация опубликовано в следующих -работах автора:

1, К вопросу об устойчивости трещиноватой кровли..// Изв. вузов. Горный журнал. - 1963,- № I,- С.33-35, (Соавтор В,И,Борщ~ Компаяиец).

2, Прочностные свойства трещиноватых горных пород // Изв. вузов. Горный журнал. - 1363. - 15 3. - 0,27-30.

3, Прогнозирование трещиноватых рудных тел Джезказгана //' Йзв, вузов. Горный журнал. - 1964. - Л 12, - С.2Г-24,■ (Соавторы Ц.А.Рыжов, В.И.Борщ~Кошаниец). ' у .

4, Прочностные и хвфоризцаоааые овойогва трещиноватых целиков // Материалы кояф. по обмену опытом в научных исследованиях и лроектировашш ооушаяия месторождений полезных иокоааешх: Сб. аауч. тр. / ВДОГЕМ, - Белгород, 1866. - С. 129- 135. (Соавтор В.И.Борщ-Компшшец), 1

5, А.о. » 25СИ46 СССР, £ 21} , 5Л 17/00. Смесь для изучения аршшдааия деформаций и разрушения горных пород / Ю.И.Мартыков, Н.И.Поаомарав (СССР).- й П80191/22-3 ,• Заявлено 25.08.67j Опубл. 26,08,69, - Бы. »27.

30

6. Вероятностный магод определения прочности трещиноватого массива // Технология добычи угля подземным способом: Сб. ЦНЮИ-уголь. - М. : Недра, 1968. - J* 5(17). - С.59-62.

7, Исследование и расчет устойчивости трещиноватой кровли: Сб.иауч.тр. / ШИРИ, - Кривой Рог, 196Ь. - Вып.II. - C.I24-I3I, ___ 8. Изучение влаякия трещиковатости на устойчивость кровли,

опертой на целика-столбы: Сб. науч. тр. / ВИОГШ. - Белгород, 1970. - Вып.II. - C.II4-I22. (Соавтор В.И.Борщ-Компшшец).

'9. Возможности сокращения оранных целиков // Вопросы рационального использования недр: Сб.науч.тр. / ВИОГЕМ. - Белгород, 1972. - № 17. - C.IIO-III.

10. Расчет деформаций при сдвижении пород над горизонтальными выработками: Сб.науч.тр. / ВИОГШ. - Белгород, 1972,- й 17. -C.I34-I4I, (Соавтор А.Н.Красовскяй).

11. Првдрасчег сдвижений и деформаций земной поверхности и горных пород при разработке первого этажа Яковлевского месторождения // Осушение месторождений, специальные горные работы, рудная геология, маркшейдерское дело: Тематический сб.тр. / ВИОГЕМ. - Белгород, 1973. - № Id. - C.I7d-Iti2. (Соавтор А. Н.Красовскяй).

12. О способе охраны подрабатываемых зданий и сооружений на ■ скальных основа:-, вях // Материалы науч.-гохн. конф. по обмену

опытом: Сб.науч.гр./ВИОГШ, - Белгород, 1973. - С.243-245. (Соавтор Н.В.Нивяев). ________

"13. А.о. 372351 СССР, Б 21 13/02, Г 04 9/02. Способ управления деформированием подрабатываемого массива горных пород / - Ю.И.Мартынов, В.И.Беляев, Г.Н.Чухлов (СССР). - К I6I9482/22-3; Заявлено 16.02.71; Опубл. 01.00.73. - Бадг. Я 13.

14. Методические указания по моделированию обводненных откосов / Отв. ред. Ю.Ф.Докукин. - Белгород: ВИОГШ, 1973. - 41 о. (Соавтор Н.И.Пономарев).

15. Методические рекомендации по проектировании и созданию в мягких горных породах глубоких компенсационных и защитных екрадов взрывным способом / Отв. ред. Ю.Ф.Докукив. - Белгород: ВИОГШ, 1975. - 58 о. (Соавторы А.А.Вовк, Г.И. Черный, К.А.Гундарев и др.).

16. Расчет деформаций в основании охраняемого поверхностного сооружения л в блоке горных пород // Фяз.-техн. проблемы разрабатываемых полезных ископаемых. - Новосибирск: Наука, 1975, -Я 5. - С.18-23. (Соавтор А.Н.Красовский).

17. .Исследования сдвижения горных пород в условиях создания искусственных плоскостей ослабления // Осушение месторождений,

специальные горные работы, рудная геология, маркшейдерское дело: Тематический сб. тр. / ВИОГШ. - Белгород, 1975. - Вып. 21, -С.166-191.

Iti. Использование энергии взрыва для создания в грунтах защитных экранов различного яазначенияУ/Взрывные работы в грунтах: Сб.тр.- Киев: Наукова Думка, 1975,- С.130-135. (Соавтор K.A.I^H-дарев).

19. Прогнозирование прочности трещиноватых руд Джезказгана. // Физ.-техн. проблемы разрабатываемых полезных ископаемых, -Новосибирск: Наука, 1976. - № 2. - C.II7-I20.

20. Управление деформированием подрабатываемого массива горных пород // Черная металлургия: Бюл.- М., 1978,- Jí 2,- С.36-40.

21. Охрана оснований поверхностных сооружений с помощью глубоких щелей-компенсаторов // Gep.I, Горнорудное производство: Черметинформация. - М., I97B, - Вьш.6. - 27 с,

22. Прогнозирование прочности трещиноватого массива // Сер. Горное дело / ЩШцветмет экономики и информации. - М., I9Ü3. -Вып.З. - 30 о.

23. Управление деформированием подрабатываемого массива горных пород глубокими щелями. - М.: Отройиздат, I9fc¡3, - 116 с.

24. Оценка интенсивности трещиноватости маооива горных пород в геомеханике // Инженерная геология. - I9B5. - $ I. - 0,94-100.

25. Сопротивление сдвигу трещиноватого массива // Инженерная геология. - I9Ü5. - Jé 4. - С.55-66.

26. Ошт охраш оснований подрабатываемых зданий глубокими зкранирующшди и компенсирующими щелями /7 Добыча угля подземным способом. - М.: ЦНИЭИуголь. - I9d7. - Вып.Ю. - 20 о.

27. Технология сооружения глубоких щелей буровзрывным способом // Горно-технические проблемы: Науч.сообщ. / Ин-т горн. дела им.АД.Скочинского.- U., 1990,- 0.57-59. (СоавторИ.Н,Богданов).

2d. О погрешности использования упругой модели деформирования подрабатываемого массива горных пород,ослабленного глубокими щелями // Известия ИГД им. А.А.Скочинского. - М.; 1991, - 0.147, 14й. (Соавтор И.Н.Богданов).

29, Пат. I5d55I6 СССР, Е 21 С 41/00, Споооб■охраны зданий от вредного влияния подрабатываемого массива / Ю.И.Мартынов (СССР). - » 4392С05/24-03; Заявлено I5.03.8d; Одубл.15.ОЬ.90- Бад. № 30.

30. Пат. I656I29 СССР, Е 21 Д 5/00. Способ уаравдендя деформированием подрабатываемого иасоива / Ю.Л.Мартынов (СССР), -Ji ШиЮ/03; Заявлено Ia,03.ü7. Опубл. 15.06.91. - Боа. й 22.