Отработка запасов угля характеризуется сложными горно-геологическими условиями, что осложняет выемку запасов и выбор мер защиты подрабатываемых зданий и сооружений, которые построены в городах и поселках как с конструктивными мерами защиты, так и без них. В синклинальных складках залегает 90 млн. тонн промышленных запасов, или более 60% запасов, расположенных под застроенными территориями.
Наличие в зонах влияния горных работ выходов осевых поверхностей синклинальных складок приводит к концентрации деформаций, образованию уступов и трещин, что крайне неблагоприятно сказывается на состоянии подрабатываемых зданий и сооружений. Характер процесса сдвижения в этих условиях изучен недостаточно, а методы прогноза сдвижений и деформаций земной поверхности разработаны, в основном, для отдельных очистных выработок, что затрудняет выбор мер защиты подрабатываемых зданий и сооружений из-за ненадежности прогнозируемых сдвижений и деформаций при разработке свит пластов. Все это приводит к большим затратам на конструктивные меры защиты, к потерям угля в предохранительных целиках и нарушению эксплуатационной способности подрабатываемых зданий и сооружений.
В первой части статьи рассмотрены горно-геологические условия разработки запасов угля на шахтах производственного объединения «Стахановуголь», состояние изученности вопроса, определены цели и задачи исследований.
Район отличается сложностью тектонического строения и характеризуется интенсивной складчатастью. Синклинальные складки, в основном встречаются двух видов — симметричные и асимметричные. Углы падения пластов в складках изменяются в диапазоне от 5 до 60°. Большинство шахт разрабатывает от 3 до 10 пластов одновременно.
Рассмотрены современные представления о характере сдвижения массива горных пород при разработке угольных пластов в условиях синклинальных складок, сложившиеся в результате обобщения натурных наблюдений в различных бассейнах страны. Исследованием процесса сдвижения пород в условиях синклинального залегания занимались И.А. Петухов и К.В. Стрельникова в Кизеловском и Челябинском бассейнах, А.Н. Медянцев, М.А. Иофис, А.М. Дмитренко, В.Н. Земисев, Ю.Б. Файнштейн в Донбассе, В.В. Бирюков и Г.Г. Егорова в Кузнецком бассейне. Всеми исследователями отмечается, что характер сдвижения массива пород в этих условиях сложен, отличается целым рядом особенностей по сравнению со сдвижением пород при выдержанном залегании и исследован недостаточно полно.
Результаты инструментальных наблюдений показали, что отличительным признаком при подработке зон ослабленных прочностных свойств массива, является появление сосредоточенных деформаций, часто сопровождающихся развитием прямых уступов и трещин. При этом изменяется форма мульды сдвижения и характер распределения в ней сдвижений и деформаций, в результате чего зависимости и методы расчета, разработанные для выдержанного залегания пластов, в данных условиях не соответствуют требуемой точности, в связи с большой погрешностью определения прогнозируемых величин.
Основными факторами, вызывающими сосредоточенные деформации и уступы, является положение зон сдвиговых деформаций, создающих условия для сдвига и отрыва пород в сторону выработанного пространства вследствие потери бокового распора. Условия для образования сдвига пород зависят от баланса сдвигающих и удерживающих сил, установить которые в настоящее время не представляется возможным в связи с большим количеством влияющих факторов, отсутствием данных о механических и прочностных свойствах пород в нарушенных зонах и информации о напряженном состоянии массива. Поэтому основным методом исследований процесса в условиях тектонической нарушенности является обобщение и анализ данных натурных наблюдений.
В практике используется ряд горных мер защиты зданий и сооружений от влияния горных разработок, но практически, нет мер по предотвращению образования сосредоточенных деформаций в районах выходов осевых поверхностей складок.
До настоящего времени, практически, не рассмотрены вопросы связанные с планированием и порядком ведения горных работ в зонах влияния на осевые поверхности складок, хотя данные натурных наблюдений свидетельствуют о принципиальной возможности уменьшения уступов и деформаций путем использования рационального порядка и сроков отработки очистных выработок. Существующие рекомендации по применению горных мер защиты (не считая закладку выработанного пространства) разработаны для выдержанного залегания и охраны отдельных объектов и не могут быть использованы в условиях городской застройки при сложном залегании пластов. В связи с тем, что при образовании прямых уступов на выходах осевых поверхностей синклинальных складок конструктивные меры защиты не всегда обеспечивают эксплуатационную способность зданий и сооружений, рациональный порядок ведения горных работ является перспективной мерой защиты.
Закладка наблюдательных станций, конструкция реперов, плановая и высотная привязка опорных и рабочих реперов, измерение вертикальных и горизонтальных сдвижений на профильных линиях проводятся в соответствии с «Инструкцией по наблюдениям за сдвижением земной поверхности и подрабатываемыми объектами на угольных месторождениях», Л., ВНИМИ, 1958 г. и «Методическими указаниями по наблюдениям за сдвижением горных пород и за подрабатываемыми сооружениями», Л., ВНИМИ, 1987 г.
Анализ результатов наблюдений позволил установить, что процесс сдвижения в зонах влияния осевых поверхностей складок может происходить как с образованием прямых уступов, так и без их проявления. Условия образования уступов зависят от положения очистных выработок в крыльях складок, размеров выработок и порядка отработки пластов. Установлено, что самым неблагоприятным случаем, когда величины уступов достигают максимальных величин, является отработка пластов в одном крыле складки в направлении к оси складки, а рост уступов пропорционален приращению оседаний от отработки каждого этажа (лавы).
В тех случаях, когда отработка пластов в крыле складки ведется в направлении от оси и размер выработки с одной стороны ограничивается целиком, а с другой точкой пересечения нормали, проведенной к отрабатываемому пласту от выхода осевой поверхности, то уступы не возникают (рис.1). Это происходит вследствие того, что зона сдвиговых деформаций la мала (менее 50%) от общей зоны влияния, а породы в районе выхода осевой поверхности складки оказываются расположены в полумульде, имеющей знаки, противоположные направлению развития уступа, в результате чего действующие в этой зоне напряжения препятствуют сдвигу и отрыву пород в сторону выработанного пространства .
При одновременном ведении горных работ на обоих крыльях складок величины уступов пропорциональны разности оседаний от влияния выработок на одном и другом крыльях на участке выхода осевых поверхностей складок. В тех случаях, когда эти оседания равны, то уступы не образуются, вследствие их полной компенсации. Схемы сдвижения, разработанные на основе анализа влияния положения выработок на характер процесса сдвижения в зонах влияния осевых поверхностей складок, показывают на принципиальную возможность рационального планирования и ведения горных работ, с целью уменьшения величин уступов и создания условий для их образования.