Подработка (выемка горных пород)
Подрабо́тка, подземная выемка полезных ископаемых, других горных пород, оказывающая воздействие на состояние земной поверхности, геологических тел или промышленных объектов в недрах. Сопровождается сдвижением, оседанием массива горных пород, его растрескиванием и т. п., которые происходят в процессе обрушения кровли выработанных пространств, погашения горных выработок.
При подработке земной поверхности геодинамические процессы охватывают всю вышележащую над соответствующими горными выработками толщу горных пород, вызывая оседание поверхности в границах т. н. мульды сдвижения. Площадь её всегда больше площади обрушаемых в подземные выработанные пространства породных толщ, и это соотношение растёт с увеличением угла наклона плоскости обрушения и расстояния от неё до поверхности. Различают полную подработку, когда дальнейшее увеличение её площади не вызывает нового сдвижения земной поверхности, и неполную подработку, когда это состояние ещё не достигнуто.
Оседание земной поверхности в зоне (мульде) сдвижения происходит неравномерно и увеличивается от её границ к центру. Это приводит к тому, что здания или другие наземные сооружения, вписываясь в кривизну мульды, подвергаются изгибу с опасными растягивающими напряжениями в конструкциях, дополнительному опрокидывающему моменту и т. д. Возникающие при оседании земной поверхности горизонтальные перемещения вызывают сжатие и растяжение грунта, приводящие к появлению трещин в стенах и фундаментах, к разрыву трубопроводов и т. п. Величины горизонтальных и вертикальных деформаций в мульде сдвижения зависят от отношения глубины залегания погашаемых полостей к их высоте (по нормали к плоскости основания) или мощности подрабатывающего пласта.
В Российской Федерации все объекты промышленного назначения, подземные и наземные сооружения, жилые и общественные здания подлежат обязательной охране от вредного влияния подработки (ПБ 07-269-98). В зависимости от назначения, конструктивных особенностей и характера последствий, возникающих при подработке, все здания и сооружения разделены на категории охраны.
Выемку полезных ископаемых под объектами разрешается производить, как правило, только ниже горизонта безопасной глубины разработок. Под последней понимают такую удалённость от поверхности, при которой и ниже которой горные разработки не могут вызвать в объектах разрушительную деформацию, влекущую за собой прекращение эксплуатации, опасность для жизни работающих и живущих в охраняемых зданиях и сооружениях, т. е. не проявляется эффект подработки.
Для строительства населённых пунктов и промышленных предприятий в районах горных разработок стремятся выбирать участки территорий, под которыми пласты залегают на больших глубинах или вне этих территорий. В случаях необходимости проведения нового строительства или наличия ранее построенных зданий и сооружений на участках с глубиной залегания пластов менее безопасной используют специальные меры их охраны от влияния подработки: оставляют под зданиями и сооружениями предохранительные целики; производят закладку выработанных пространств или применяют способы выемки, обеспечивающие минимальные деформации в подрабатываемых объектах; осуществляют специальные конструктивные и планировочные мероприятия по усилению конструкций сооружений.
В отличие от наземных сооружений объекты в недрах при подработке могут испытывать как отрицательное, так и положительное её воздействие. Это зависит не только от физических характеристик толщи, свойств слагающих её горных пород (мощности пород, способности к разрыхлению и т. п.) или характера напряжённо-деформированного состояния горных пород в зоне, в которую попадает объект, но и от рода, вида и типа самого объекта.
Подработка промышленных объектов (подземных коммуникаций, камер и т. п.) приводит только к негативным последствиям. Поэтому, как и в случае подработки наземных сооружений, в подземных условиях стараются предотвратить проявления этого процесса.
Подработка природных объектов (например, угольных, сланцевых пластов и др.) может влечь за собой положительные последствия, такие как дегазация полезных ископаемых; снижение опасности внезапных выбросов полезных ископаемых, газа, горных ударов; при междупластьях, сложенных из прочных слоёв пород, служит эффективной мерой борьбы с пучением и др. Эти эффекты вызваны изменением напряжённо-деформированного (агрегатного) состояния подрабатываемого тела полезных ископаемых (частичное разрушение, разрыхление и т. п.), а также пород между ним и выработанным пространством (увеличение их трещиноватости, газопроницаемости и т. п.) под действием повышенного, а затем пониженного напряжений.
Вместе с тем подработка может приводить пласт (или другое тело полезного ископаемого) в результате перемятостей в непригодное к эксплуатации состояние, способствовать внезапным обрушениям кровли в лавах и др. (отрицательные последствия подработки). Наиболее часто эффекты подработки наблюдаются при восходящем порядке разработки сближенных пластов полезных ископаемых.
В общем случае влияние подработки на пласт сводится к следующему. Попадая в т. н. переднюю зону (I), пласт испытывает влияние пониженных напряжений (см. рисунок), сравнительно близких к (где – средний удельный вес горных пород; – глубина от земной поверхности). В зоне (II) опорных давлений, возникающих на передних границах расслоений, происходит сложное нагружение пласта. В зоне (III) разломов и опусканий пород пласт испытывает резкую разгрузку, происходят большие деформации, разломы и опускания, затем пласт попадает в заднюю зону опорного давления вблизи границ разломов, где нагрузки возрастают. Ввиду сложности режима нагружений и разломов подрабатываемого пласта для предотвращения отрицательных последствий при разработке подработки обязательно учитывают 2 параметра: минимально допустимые по условиям подработки мощность пород междупластья и опережение подрабатывающего забоя .
определяется выражением:
, м,
где – коэффициент запаса (5–7; по А. А. Борисову); – вынимаемая мощность подрабатывающего пласта, м; – предел свободного опускания основной кровли нижнего пласта, м; – средний коэффициент разрыхления непосредственной кровли подрабатывающего пласта (отношение объёма разрыхлённой/обрушенной породы к её объёму в целике/массиве); – угол падения пласта, град.
При работе с полным обрушением кровли обычно принимают не менее 12–15 м, а при работе с полной закладкой выработанного пространства – сколь угодно малой. При оценке допустимости многократной подработки (большое количество пластов в свите) учитывают общее опускание подрабатываемого пласта вследствие суммарного влияния всех подработок.
Параметр определяют, исходя из механизма разломов и перемещений пород междупластья, ориентируясь на наиболее прочный и мощный (т. н. ведущий) слой основной кровли или других пород междупластья. Величину обычно увязывают с длиной шага обрушения ведущего слоя (рисунок) соотношением . Обычно 60–200 м, а минимальное время опережения подрабатываемого забоя подрабатывающим (, где – средняя скорость подвигания забоя) 1,5–3 месяца.