Меры охраны сооружений от вредного влияния подземных разработок
|
Вопросы охраны сооружений и зданий от повреждений в результате выемки под ними полезного ископаемого приобрели в последние годы большое значение, особенно в таких угольных бассейнах, как Донецкий, Кузнецкий, Карагандинский, Львовско-Волынский, Челябинский и др., так как подработка ведет или к значительному удорожанию стоимости полезного ископаемого, или к большим потерям угля в предохранительных целиках. Меры охраны зданий и сооружений выбираются в зависимости от следующих факторов: категорий охраны сооружений, конструктивных особенностей сооружений, глубины разработки и мощности пласта, системы разработки, особенностей процесса сдвижения, геологического строения участка месторождения. Выбор конкретного способа охраны производится согласно «Правилам охраны сооружений», составленным практически для всех бассейнов страны, и «Рекомендациям по проектированию мероприятий для защиты эксплуатируемых зданий и сооружений от влияния горных работ». Возможно применение следующих мер охраны сооружений от вредного влияния подземных разработок. 1) Охрана сооружений предохранительным целиком. Эта мера охраны применяется тогда, когда другие меры не могут обеспечить сохранности объекта или являются экономически не выгодными. 2) Охрана сооружения с помощью закладки выработанного пространства является довольно эффективной мерой, но использование закладки в ряде случаев может быть затруднено по экономическим соображениям. Наибольший эффект дает гидравлическая и твердеющая закладка выработанного пространства, при которых получаются наименьшие величины оседания поверхности. 3) Охрана сооружений путем применения различных режимов выемки полезного ископаемого. К ним относятся нарезка выемочных участков таким образом, чтобы сооружения располагались в той части мульды, где наименьшая неравномерность сдвижений; безостановочное интенсивное подвигание забоя очистной выработки, которое уменьшает время вредного воздействия на сооружения очистной выработки; выемка угля в обе стороны от разрезной печи, расположенной под серединой сооружения, и др. Одним из возможных способов охраны поверхностных сооружений является оставление ленточных целиков с большим запасом прочности с расстоянием между ними, обеспечивающим устойчивость основной кровли. Так, для охраны поверхностных сооружений для одной из шахт Джезказганского месторождения был составлен проект охраны, по которому на каждые 60 м предусмотрены ленточные целики шириной 20 м. Сущность способа заключается в том, что в случае разрушения междукамерных целиков процесс обрушения локализуется на площади, заключенной между барьерными целиками. Таким образом, сдвижение (обрушение) налегающей толщи будет только в пределах свода естественного равновесия. 4) Временное изменение характера эксплуатации сооружения, подвергающегося подработке (переселение жильцов, прекращение учебного или производственного процесса и т. п.). В дальнейшем после затухания процесса сдвижения и ремонта сооружения производится нормальная эксплуатация этого объекта. 5) Перенос сооружения на участки поверхности, под которыми нет полезного ископаемого. Этот метод, безусловно, должен применяться только в крайнем случае и после тщательного экономического анализа его целесообразности. 6) Осуществление специальных конструктивных мероприятий, уменьшающих деформации зданий. При выборе конструктивных мероприятий необходимо учитывать категории основания по ожидаемым деформациям земной поверхности, приведенные в табл. XII.6.  При небольших деформациях, когда радиус кривизны R ≥ 20 км и относительная горизонтальная деформация ε ≤ 1x10в-3 и при весьма больших значениях деформаций (R ≤ 1 км, ε ≥ 12,10в-3), конструктивные мероприятия и специальные меры защиты сооружений нецелесообразны. Конструктивные мероприятия снижают напряжения и деформации, возникающие в зданиях, и усиливают несущую способность конструкций, но не исключают появления мелких трещин в стенах, фундаментах и т. д., которые не мешают нормальной эксплуатации. В числе конструктивных мероприятий, применяющихся для уменьшения деформации зданий, отметим следующие. Длинные здания целесообразно с помощью осадочных швов разрезать на отдельные отсеки, размеры которых выбираются в зависимости от конфигурации здания и его конструктивной схемы. Осадочные швы должны располагаться рядом с внутренними поперечными стенами, их толщина выбирается таким образом, чтобы отдельные отсеки в процессе подработки работали независимо друг от друга. По вертикали здание рекомендуется разрезать на всю высоту, исключением является фундамент. Каждый отсек здания оформляется таким образом, чтобы в плане он имел замкнутый контур. Возникающие горизонтальные напряжения в зданиях можно погашать податливыми фундаментами. Для этого делается шов, отделяющий подземную часть здания от фундамента. Шов заполняется прокладочным материалом с небольшим коэффициентом трения. Идея фундаментных плит состоит в том, что на выровненную и уплотненную поверхность грунта укладывается железобетонная плита, разрезанная диагональными швами, заполненными эластичным материалом. На плиту насыпается слой влажного песка толщиной до 5 см и укладывается еще одна, но сплошная плита, на которой возводится здание без применения конструктивных мероприятий. Эффективную защиту зданий от подземных разработок можно осуществить с помощью компенсационных траншей, которые сооружаются в грунте вдоль зданий. Дно траншеи должно быть несколько ниже (около 50 см) отметки заложения фундамента. Компенсационные траншеи заполняются компенсаторами из листовой волнистой стали, мелкого кокса или смесью грунта с опилками. Компенсационные траншеи в 1,5—2,0 раза снижают величину горизонтальных деформаций. Расчет предохранительных целиков производится в соответствии с «Правилами охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок», которые в настоящее время составлены для большинства угольных месторождений и ряда рудных месторождений, и «Указаниями по охране сооружений от вредного влияния подземных разработок на месторождениях с неизученным характером сдвижения горных пород». В Правилах и Указаниях помимо методики расчета предохранительных целиков изложены рекомендации по определению границы зоны вредного влияния подземных разработок, продолжительности процесса сдвижения, разделению охраняемых объектов на категории охраны, выбору мер охраны сооружений от вредного влияния подземных разработок. Охраняемые объекты по степени их охраны разделяются на категории, характеризующиеся назначением объектов, конструктивными особенностями и последствиями их подработки. В различных бассейнах существуют свои классификации категорий. Так, в Донбассе их 7, Кузбассе — 4, Кизеловском бассейне — 4 и т. п. Приведем к примеру разделение объектов на категории охраны в Кузнецком угольном бассейне. К I категории охраны отнесены наиболее ответственные здания и сооружения: центральные и групповые обогатительные фабрики, доменные, мартеновские, прокатные и т. п. цехи металлургических заводов, общественные здания особой значимости, сложной конфигурации с залами, имеющими пролеты более 12 м, трех-четырехэтажные здания учебных заведений, реки Томь, Уса, Кондома и т. п.; ко II категории — вертикальные вентиляционные стволы с аварийным подъемом вместе с копрами и подъемными машинами, одно- и двухэтажные кирпичные и шлакоблочные здания учебных заведений, стационарных лечебных учреждений, детских яслей, компрессорные станции, железнодорожные мосты с пролетами до 20 м и т. п.; к III категории — вертикальные и наклонные шахтные стволы без механического подъема, закрепленные деревом или другими типами податливых крепей, вентиляционные шурфы, вентиляционные скважины, одно- и двухэтажные деревянные рубленые здания учебных заведений, лечебных учреждений, детских садов, яслей, кирпичные или железобетонные дымовые трубы высотой до 50 м, автомагистрали с бетонным покрытием и т. п.; к IV категории охраны относятся: наземные трубопроводы, железнодорожные подъездные пути МПС, автомагистрали с асфальтовым покрытием, сады-парки, трамвайные линии и т. п. При определении целесообразности и необходимости предохранительного целика под поверхностным объектом необходимо руководствоваться величиной безопасной глубины, начиная с которой выемка полезного ископаемого не отражается вредно на поверхностном сооружении. Безопасная глубина вычисляется по формуле  где m — вынимаемая мощность залежи; Кб — коэффициент безопасности, который определяется по совокупности фактических случаев подработки, инженерно-строительных и экономических расчетов, лабораторных исследований и натурных наблюдений за сдвижением поверхности. Для Донецкого бассейна значения коэффициента безопасности при выемке одного пласта приведены в табл. XII.7.  Границы зоны опасного влияния подземных разработок определяются относительно границ выработанного пространства по углам сдвижения: в коренных породах β, γ, δ, и в наносах φ. С целью создания некоторого запаса надежности охраняемого объекта площадь охраны увеличивается со всех сторон на величину предохранительной бермы, размер которой зависит от категории охраны охраняемого объекта. В условиях Донецкого бассейна размер предохранительной бермы следующий:  Построение предохранительных целиков выполняется одним из трех возможных способов: вертикальных разрезов, перпендикуляров, в проекции с числовыми отметками. Способ вертикальных разрезов. В способе вертикальных разрезов рассмотрим два случая: 1) построение предохранительного целика под здание методом вертикальных разрезов, 2) построение целиков под вытянутый объект методом вертикальных разрезов. Построение предохранительного целика под зданием методом вертикальных разрезов. Требуется построить в условиях Донецкого бассейна целик для четырехэтажного каменного здания школы, имеющего в плане форму прямоугольника размером 28x45 м (рис. XII.29) и расположенного диагонально под углом 45° к простиранию пласта. Под зданием залегает пласт мощностью m = 0,9 м и под углом падения α = 30°. Глубина залегания пласта под центром здания H = 250 м. Таким образом, кратность подработки H/m = 280. Мощность наносов 25 м. Согласно работе охраняемое здание относится ко II категории охраны, коэффициент безопасности Kб = 300, углы сдвижения в коренных породах равны: β = 84° — 0,8α = 60°; γ = 84°; δ = 84°, в наносах φ = 60°. Ширина предохранительной бермы 15 м.  Построение целика начинается с того, что на плане через угловые точки здания 1, 2, 3, 4 проводятся линии, параллельные и перпендикулярные линии простирания пласта. Вокруг полученного прямоугольника строится берма шириной 15 м. Таким образом, получается прямоугольник АБВГ. Строится разрез вкрест простирания пласта, на который проектируются угловые точки здания и бермы. Через точки А(Б) и Г(В) проводятся в наносах линии под углом сдвижения φ = 60° до контакта с коренными породами. Через полученные точки K1 и K2 проводятся линии в коренных породах CO стороны падения под углом у = 84°, со стороны восстания под углом β = 60°. Глубина безопасности Hб = Kбm = 300*0,9 = 270 м. В связи с тем, что часть пласта, ограниченная линией, проведенной под углом γ, находится ниже безопасной глубины, границей целика со стороны его падения будут точки а (б), являющиеся точками пересечения горизонта безопасной глубины с плоскостью пласта. Верхней границей целика являются точки г (в), полученные при пересечении с плоскостью пласта линии сдвижения, проведенной под углом β. На вертикальный разрез по простиранию пласта также проектируются угловые точки бермы Б(В) и А(Г), через которые в наносах до пересечения с коренными породами проводятся линии под углом φ = 60°. Через полученные точки К3 и K4 проводятся линии под углом наклона δ = 84°. Пересечение этих линий с линиями верхней и нижней границ целика определит размеры целика на разрезе по простиранию. После построения проекций целика на разрезах по простиранию и вкрест простирания пласта производится построение контуров целика в плане абвг. Запасы угля в предохранительном целике определяются произведением производительности пласта на общую площадь предохранительного целика. Построение предохранительного целика под вытянутый объект способом вертикальных разрезов. Требуется построить в условиях Челябинского буроугольного бассейна предохранительный целик для полотна железной дороги (рис. ХII.30), расположенного над угольным пластом диагонально к простиранию. Мощность пласта 1,3 м, угол падения 25°. Коренные породы, залегающие над угольным пластом, представлены глинистыми сланцами, аргиллитами, алевролитами. Мощность наносов 20 м. Дорога охраняется по I категории охраны. Углы сдвижения β = 65° — 0,7α = 47°; γ = 65°; φ = 45°; δ = 65°. Построение целиков для объектов, вытянутых диагонально к простиранию пласта, производится по углам сдвижения; в наносах φ, в коренных породах под углом β' — со стороны восстания пласта и под углом γ' — со стороны падения пласта. Последние два угла определяются по формулам:  где β, γ, δ — углы сдвижения для данного месторождения в главных сечениях мульды; θ — острый угол между линией простирания пласта и контуром охраняемого объекта. Границы предохранительного целика определяются по нескольким разрезам, проводимым перпендикулярно к трассе железной дороги в характерных местах охраняемой площади (1—2, 3—4, 5—6, 7—8, 9—10). На разрезах от берм строятся следы охраняемых плоскостей вначале в наносах под углом сдвижения φ и затем в коренных породах под углами сдвижения βi', γi'. Под полотном железной дороги определяется глубина залегания угольного пласта как разность отметок земной поверхности и почвы пласта. Полученную глубину откладывают на разрезах и получают точки, через которые проводят под углом линию пласта на разрезах. Угол падения пласта в плоскости разреза определяется графическим методом. Точки, получаемые при пересечении следов пласта с охранными плоскостями, переносятся на план и для определения контуров предохранительного целика соединяются прямыми линиями или плавными кривыми.  Способ перпендикуляров. В этом способе границы целиков получают сразу же на плане без построения дополнительных разрезов с помощью так называемых перпендикуляров, длины которых вычисляют по формулам:  где q — величина перпендикуляров в сторону восстания пласта; l — величина перпендикуляра в сторону падения пласта; H — глубина от земной поверхности до почвы пласта; α — угол падения пласта; M — мощность наносов; β', γ' — значения углов сдвижения. Рассмотрим для примера построение предохранительного целика для железной дороги, проходящей диагонально к простиранию пласта (рис. XII.31). В характерных местах охраняемой площади выбираются точки, в них восставляются перпендикуляры к контуру предохранительной бермы. На перпендикулярах откладываются соответствующие длины q и l. Через полученные точки 1, 2, 3, I', 2', 3' проводится граница предохранительного целика. Подсчитываются запасы угля в целике.  Построение предохранительного целика для охраны двух глубоких вертикальных стволов с жесткой крепью для условий Донецкого угольного бассейна. Вертикальные шахтные стволы охраняются вместе с копрами и подъемными машинами без учета безопасной глубины. Предохранительные целики могут строиться по углам сдвижения и по граничным углам. Выбор того или иного способа зависит от следующего: 1) границы предохранительных целиков для всех стволов до глубины 400 м, а для блоковых, вентиляционных и воздухоподающих стволов с жесткой крепью также и при глубинах более 400 м определяются по углам сдвижения; 2) границы предохранительных целиков для глубоких главных вертикальных стволов с жесткой крепью и вентиляционных стволов с жесткой крепью со сроком эксплуатации более 20 лет, оборудованных постоянным подъемом, определяются при больших глубинах (600 м и более при α ≤ 45° и 700 м и более при α ≥ 45°) по граничным углам. При больших глубинах разработки для уменьшения запасов угля, консервируемых в целиках, рекомендуется построение предохранительных целиков криволинейного очертания. Ниже рассмотрим пример построения такого целика. Охране подлежит площадь, на которой расположены стволы с копрами, надшахтные здания и здания подъемных машин (рис. XII.32). Угол падения пласта — 15°, мощность пласта 1,2 м, наносы отсутствуют. Глубина залегания пласта по оси стволов 900 м. Стволы расположены по простиранию пласта. Проектная глубина разработки 1050 м. В связи с большой глубиной стволов контур предохранительного целика должен определяться по граничным углам:  Построение целика начинается с определения площадки, на которой расположены охраняемые здания. Для этого на плане через угловые точки охраняемых объектов параллельно падению и простиранию пласта проводятся линии, при их пересечении образуется прямоугольник 1234. Вокруг полученного контура строят берму шириной 20 м, в результате получают контур абвг. На разрезах вкрест простирания и по простиранию строят разрезы, на которых отмечают границы охраняемого участка и оси стволов. С помощью граничных углов строят целик трапецеидальной формы АБВГ. Для этого на разрезе вкрест простиранию из точки а(б) проводят линию под граничным углом γ0 = 75°, из точки г(в) — под граничным углом β0 = 63°. Их пересечение с пластом угля определяет нижнюю и верхнюю границы предохранительного целика. На разрезе по простиранию из точек б(в), а(г) проводят линии под углом δ0 = 75°, которые определяют боковые границы целика. По проекциям, полученным на разрезах вкрест и по простиранию пласта, строят третью проекцию — план. На плане через берму проводят линии до их пересечения с контуром целика (точки 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12). После этого выбирают радиусы для закругления углов целика. Причем радиусы должны быть: один для закругления углов Л и Б, другой — для закругления углов В и Г. За радиусы закругления выбирают соответственно расстояния б6 или б7 и в8 или в9. В каждой паре определяется кратчайшее расстояние, оно и является радиусом закругления. В нашем случае из точек O1, О2 радиусом из точек О3, O4 радиусом Rb8 проводят дуги окружностей. Таким образом, производят построение на плане криволинейного контура целика. После этого подсчитываются запасы угля в целике. |
