В нашей стране балансовые запасы угля под городами и населенными пунктами составляют около 1 млрд. тонн, причем эти запасы относятся к наиболее разведанным и достоверным. Однако выемка этих запасов приводит к сдвижениям и деформациям земной поверхности и соответственно — к повреждениям зданий, сооружений, объектов инфраструктуры, которые попадают в зону подработки. Поэтому прогноз сдвижений и деформаций земной поверхности от влияния подземных горных разработок является исключительно важным фактором организации защиты объектов поверхности на подрабатываемых территориях.
Существующая методика прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности ос-нована на результатах многочисленных инструментальных измерений на десятках маркшейдерских наблюдательных станций в Донецком, Львовско-Волынском и ряде других угольных бассейнов. Данная методика базируется на методе типовых единичных кривых оседаний. Формулы для расчета сдвижений и деформаций земной поверхности были получены в результате обработки данных натурных инструментальных наблюдений рядом исследователей (С.Г. Авершиным, Д.А. Казаковским, А.Н. Медянцевым, С.П. Колбенковым, М.А. Иофисом и др.). Данная методика действует в нашей стране и за рубежом уже около тридцати лет и является достаточно эффективным инструментом прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности. Она вошла в ряд нормативных документов, являющихся отраслевыми стандар-тами [1, 2, 3], и регламентирует подработку объектов на земной поверхности. Вместе с тем существует один аспект построения мульды сдвижения, который требует уточнения геометрии её построения. Он касается зависимости размера полумульды по простиранию от угла падения пласта. В принятой методике схема определения размера по-лумульды по простиранию приведена на рис. 1.
Является очевидным, что данные формулы являются справедливыми только для горизонтального залегания пласта ( ), когда глубина разработки одинакова для всех точек очистной выработки. Однако глубина разработки в каждой расчетной точке, т.е. вертикальное расстояние от точки до пласта, зависит от ординаты этой точки в системе координат очистной выработки (лавы). В этой системе так же, как и на рис. 2, центр системы совпадает с центром лавы, оси и лежат в горизонтальной плоскости, при этом ось совпадает с линией простирания, а ось направлена в сторону восстания.
В качестве примера была взята очистная выработка с параметрами: длина лавы вкрест простирания = 300 м; длина лавы по простиранию = 1200 м; средняя глубина разра-ботки = 600 м; угол падения пластов брался соответственно равным 0 градусов, 20 градусов, 40 градусов и 60 градусов. Этот рисунок наглядно показывает динамику изменения мульды сдвижения. С ростом угла падения пласта трапеция мульды смещается в сторону падения пласта, увеличиваются высота трапеции и ширина ее основания со стороны падения. При этом точка максимального оседания также перемещается в сторону падения пласта.
Приведенные на рисунках результаты расчетов показывают, что расхождения размеров полумульды по простиранию, вычисленные для разной глубины разработки, обусловленной углом падения пласта, могут достигать значительных величин. В приведенном примере эти расхождения достигают почти 280 м и отличаются от размера полумульды, вычисленного по принятому в «Правилах подработки...» [3] алгоритму, более чем на 20%. В свою очередь, размер полумульды по простиранию используется при вычислении наклонов, кривизны и горизонтальных деформаций. Поэтому, учитывая значительные изме-нения размера полумульды по простиранию в зависимости от угла падения пластов.
Дальнейший анализ алгоритма расчета сдвижений и деформаций, основанного на использовании типовых единичных кривых оседаний, показывает, что в мульде сдвижения имеются участки (зоны) с различным характером деформирования земной поверхности. Каждая из этих зон относится к одному из трех основных типов: I тип — зона, в которой наблюдается сдвижение земной поверхности как в направле-нии простирания пластов, так и вкрест их простирания; II тип — зона, в которой наблюдается сдвижение земной поверхности только в одном направлении (по простиранию пластов либо вкрест их простирания); III тип — зона, в которой отсутствуют деформации (плоское дно мульды сдвижения).
Зоны I типа присутствуют в мульде сдвижения во всех случаях подработки (как полной, так и неполной). Это угловые участки мульды сдвижения, охватывающие площади от ее краев до точек максимального оседания.
Зоны II и III типа появляются только в случаях полной подработки. При этом зоны II типа образуются, когда полная подработка имеет место только в каком-то одном направлении (по простиранию пластов либо вкрест их простирания), а зона III типа образуется только при полной подработке, как по простиранию, так и вкрест простирания пластов.
Анализ топологии расположения очистных выработок и результатов практических расчетов деформаций позволил определить шесть наиболее вероятных вариантов расположения зон деформаций различных типов. На рис. 6 показана форма мульды сдвижения при полной подработке, как по простиранию, так и вкрест простирания пласта.
В существующей методике прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности от влияния подземных горных разработок при определении размера полумульды по простиранию не учитывается влияние угла падения пласта.
Предложена новая классификация зон деформирования земной поверхности, включающая три типа основных зон. Определены шесть возможных вариантов расположения этих зон при различных комбинациях полной или неполной подработки по простиранию и вкрест простирания.