21853

Управление геомеханическими процессами при системах с обрушением руды и вмещающих пород

Лекция

География, геология и геодезия

Управление геомеханическими процессами при системах с обрушением руды и вмещающих пород. Факторы определяющие характер сдвижения и обрушения пород. Закономерности сдвижения горных пород. Последовательность обрушения пород.

Русский

2013-08-04

854 KB

27 чел.

10

Тема 8. Управление геомеханическими процессами при системах с обрушением руды и вмещающих пород. 2 часа лекций + 4 часа практических занятий.

Общие сведения. Факторы, определяющие характер сдвижения и обрушения пород. Сохранение устойчивого состояния земной поверхности при разработке месторождений. Закономерности сдвижения горных пород. Последовательность обрушения пород. Шаг обрушения пород. Взаимосвязь обрушения пород с опорным давлением. Снижение и предотвращение вредного воздействия опорного давления.

8.1. Общие сведения.

Сущность этого способа разработки заключается в том, что вслед за выемкой полезного ископаемого сразу или с некоторым отставанием налегающие породы обрушаются принудительно или под действием собственного веса. Характерной особенностью всех систем с обрушением является сплошная отработка шахтных полей без оставления внутризабойных, междублоковых и междуэтажных целиков. При некоторых вариантах систем допускается лишь временное оставление целиков (двухстадийная выемка), которые погашаются сразу после отработки камеры. Такой порядок выемки необходим для создания благоприятных условий самообрушения вышележащих пород, в результате которого снижаются напряжения на краевые зоны массива руды.

Системы разработки с обрушением (столбовые системы, слоевое обрушение, подэтажное обрушение, этажное самообрушение, этажное принудительное обрушение) обычно применяют при разработке мощных месторождений в неустойчивых, склонных к обрушению, породах, когда допускается сдвижение и обрушение земной поверхности.

При любых вариантах систем между очистными выработками и обрушающимся породным массивом должна постоянно сохраняться значительного объема предохранительная "подушка" из отбитой руды и обрушенных пород.

Все системы с обрушением вызывают сдвижение или обрушение земной поверхности и характеризуются постоянным нарастанием опорного давления на пограничный с обрушающимися блоками рудный массив до тех, пор, пока не произойдет посадка подработанной толщи пород.

Таким образом, управление геомеханическими процессами при системах разработки с обрушением вмещающих пород заключается в целенаправленном изменении параметров систем разработки, в частности, величин деформаций поверхности, последовательности и шага обрушения пород, величины опорного давления на краевую часть массива др.

8.2. Факторы, определяющие характер сдвижения и обрушения пород.

Многочисленные факторы, влияющие на протекание процессов сдвижения и обрушения пород, можно разделить на две большие группы: горно-геологические и технологические;

Горно-геологические факторы. Из них следует выделить следующие: мощность рудного тела (залежи, пласта, жилы) угол падения, глубину работ, площадь распространения, механические свойства и структурные особенности строения пород, гидрогеологические условия месторождения, рельеф местности и др.

При отработке рудных тел их мощность и площадь оказывают существенное влияние на характер и величину сдвижения налегающих горных пород. Практикой установлено, что чем они больше, тем значительнее распространение зон сдвижения и обрушения пород, больше величина оседания и обрушения земной поверхности, выше скорости распространения деформаций пород.

Углы падения отрабатываемых рудных тел влияют на картину формирования зон сдвижения и обрушения, на форму и параметры мульд на поверхности.

Отмечается обратная зависимость величины деформации земной поверхности от глубины разработки. При малой мощности залежи (пласта) и значительной глубине работ опасные сдвижения пород могут не достигать поверхности (безопасная глубина разработки). Опорное давление и зона его распространения увеличиваются пропорционально глубине, а перенапряжения пород бывают причиной горных ударов.

Свойства пород и их структурное строение определяют механизм происходящих деформаций, их склонность к пластическому течению или хрупкому разрушению; трещиноватый массив однородного строения и слоистая толща пород при отработке деформируются и разрушаются неодинаково. Геологические нарушения значительно изменяют характер происходящих механических процессов.

Гидрогеологические условия, определяющие степень увлажненности пород месторождения, влияют на их пластические свойства. Облегчается сдвижение отдельных слоев или участков массива по контакту обводнения пород (особенно глинистых). Вследствие этого могут существенно изменяться углы сдвижения, скорости деформирования, формы и площади мульд сдвижения и обрушения земной поверхности.

Существенные коррективы в картину сдвижения и обрушения пород вносит рельеф местности (гористый или равнинный). Если для равнинного рельефа характерны более правильные формы оседания и обрушения поверхности, то для гористого — они определяются конкретным расположением гор и долин. Здесь могут иметь место деформации и обрушения подрабатываемых участков по плоскостям ослаблений и геологических нарушений, при увлажнении наблюдаются оползневые явления.

Технологические факторы. Зависят от деятельности человека, и в отличие от горно-геологических факторов не остаются неизменными; их воздействие можно регулировать. Из основных технологических факторов следует отметить: применяемую систему разработки или способ управления горным давлением, порядок ведения горных работ, интенсивность и концентрацию очистной выемки, размеры отрабатываемых участков (шахтных полей), методы ведения взрывных работ и др.

Способ управления горным давлением определяет класс применяемой системы разработки и оказывает самое существенное влияние на состояние подрабатываемого массива горных пород. При системах с обрушением предусматривается постоянное, вслед за выемкой руды обрушение подрабатываемых пород. От порядка отработки месторождения зависит характер деформации пород, очередность их сдвижения и обрушения, образование мульд на поверхности. Правильно выбранный порядок может обеспечивать непрерывность деформирования и плавность посадки пород. От интенсивности выемки зависит скорость нарастания деформаций, появление в толще трещин и разрывов.

Размеры отрабатываемых участков (шахтных полей) оказывают существенное влияние на процесс смещения и обрушения пород. При небольших размерах месторождений и большой глубине работ могут иметь место опасные зависания подрабатываемых пород, угрожающие внезапной посадкой.

8.3. Сохранение устойчивого состояния земной поверхности при разработке месторождений.

Под устойчивым состоянием земной поверхности понимается полное отсутствие ее деформаций или наличие сдвижений, величина которых не превышает критических значений и не вызывает вредных последствий для подрабатываемых объектов.

Устойчивое состояние пород определяется сочетанием влияющих горно-геологических и технологических факторов.

При разработке месторождений существует такое соотношение глубины разработки Нб к мощности залежи М, при котором деформации земной поверхности для охраняемых сооружений будут безопасными, т.е.

Нб /М=Кб,                                                                (8.1)

Где Кб - коэффициент безопасности.

Вполне очевидно, что наибольшая вероятность сохранения поверхности при разработке рудных месторождений будет при отработке слепых залежей, имеющих малую мощность, крутой угол падения и небольшую площадь подработки.

Временными правилами охраны сооружений и природных объектов при подземной разработке рудных месторождений, рекомендованными ВНИМИ, при крепости пород f = 5 коэффициенты безопасности, согласно выражению (8.1), принимаются: для объектов I-й категории Кб = 150; II-й - Кб = 100 и III-ей - Кб = 50. При выемке пологих и наклонных угольных пластов значения Кб для объектов I, II, III категорий равны соответственно 300,200,100.

На рис. 8.1 приведена схема основных элементов залегания, определяющих деформирование земной поверхности.

Рис. 8.1. Схемы к определению деформаций земной поверхности

а и б - параметры рудной залежи соответственно вкрест простирания и по простиранию.

На основании изучения многочисленных случаев состояния земной поверхности в результате отработки рудных месторождений ВНИМИ рекомендуется формула для определения предельной расчетной глубины Нр (от верхней границы залежи до дневной поверхности), при которой не будет критических деформаций

Нр = 300 Мэ Lk / (L’ + 74 Мэ ,                                                           (8.2)

где L’ - горизонтальная проекция рудной залежи;

k коэффициент, учитывающий крепость вмещающих пород, k = 1 при f = 2÷5, k = 0.9 при f = 5÷9, k = 0.8 при f >9.

Мэ - эффективная (приведенная) мощность залежи,

Мэ = М (1 – Кзап + Кзап Ку.

Здесь М - нормальная мощность залежи; Кзап и Ку - коэффициенты соответственно заполнения выработанного пространства закладочным материалом (или породами) и усадки закладочного материала.

Если величина Нр<Н (Н — фактическая глубина от верхней границы рудной залежи до земной поверхности), то земная поверхность не подвергается опасным деформациям.

Формула (8.2) рекомендуется для расчета безопасной глубины при отработке слепых залежей с углом падения не более 75° системами с закладкой.

Отработка рудных месторождений системами с обрушением вызывает опасные деформации земной поверхности и, как правило, сопровождается не только сдвижением, но и ее обрушением. В связи с этим рассмотрим последовательно основные закономерности развития процессов сдвижения горных пород в результате подземной разработки месторождений и основные закономерности развития процессов обрушения горных пород.

8.4. Закономерности сдвижения горных пород.

Под сдвижением горных пород понимается деформирование и перемещение их под влиянием горных работ или происходящих естественных процессов (действия тектонических сил, выщелачивания, водопонижения, изменения свойств пород).

В результате горных работ вначале наблюдаются сдвижения нижней части подрабатываемых пород (кровли камер, заходок, лав). По мере увеличения площади подработки в процесс сдвижения вовлекается не только непосредственная кровля, но и расположенные выше породы. Наблюдается сдвиг пород по плоскостям расслоения и пересекающим массив трещинам. В результате над выработанным пространством образуется зона разрыхленных пород, объем которых больше первоначального. Поэтому при определенной высоте разрыхления пород происходит подпор вышележащей толщи.

Под воздействием собственного веса подработанные породы испытывают растягивающие напряжения (особенно в средней части пролета). Часть земной поверхности, расположенной над зоной растяжения, деформируется, в результате чего образуется мульда сдвижения. Границы мульды сдвижения определяются граничными углами по простиранию δ0, по падению β0 и по восстанию γ0 залежи или пласта (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Принципиальные схемы для определения сдвижения земной поверхности при отработке залежи вкрест простирания (а, б) и по простиранию (в):

β0; γ0; δ0; β’ - граничные углы; β; γ; δ; β1, φ - углы сдвижения пород; ηмах - максимальный прогиб (оседание) поверхности

При горизонтальном или пологом падении наибольшее оседание земной поверхности происходит в центральной части мульды. Иногда эта часть может иметь вид "плоского дна", это соответствует условиям полной подработки. При разработке крутых залежей мульда сдвижения имеет асимметричный вид. Максимальное оседание поверхности смещается к рудному телу (см. рис. 8.2 б).

Граничные точки сдвижения поверхности определяются по величине вертикальных оседаний, которые не превышают 10-15 мм.

Углы между линиями, соединяющими границы горных работ с точками опасных деформаций на поверхности и линией горизонта, называются углами сдвижения. При проведении маркшейдерских замеров эти углы в коренных породах обозначаются: β; β’ - у нижней границы горных работ (по падению), γ - у верхней границы горных работ (по восстанию), δ - по простиранию; в наносах эти углы одинаковы во всех направлениях и обозначаются φ. Положение точки, имеющей максимальное оседание, определяется углом максимального оседания θ.

Параметры сдвижения пород характеризуются абсолютными перемещениями одной части относительно другой (неподвижной), а также вертикальными и горизонтальными составляющими векторов сдвижения точек поверхности (или массива пород). Они определяются по результатам натурных замеров перемещения реперов.

Исследованиями ВНИМИ доказано, что слоистые коренные породы при сдвижении расслаиваются, прогибаются и деформируются самостоятельно; величина деформаций определяется совокупностью сдвижений и деформаций отдельных слоев. Рыхлые отложения, как правило, деформируются без расслоения. В скальных породах однородного строения деформации сопровождаются трещинообразованием, разделением на отдельные блоки, самообрушением и разрывами поверхности. Значения углов сдвижения приведены в табл. 8.1.

Значения угла φ в сухих наносах и выветрелых породах рекомендуется принимать равным 50°, в обводненных наносах — 35° и менее.

Углы сдвижения и разрыва пород при полной подработке

Таблица 8.1.

Коэффициент крепости пород f

Угол падения пород αп

или рудного тела αр.т.,

градус

Углы сдвижения и разрыва пород, градус

β

γ

β1

δ

Слоистое строение пород (осадочные породы)

<5

0-30

55-45

55

-

55

31-45

45-40

55

-

55

46-60

40

-

п – 5)*

61-80

40-45

-

50

55

81-90

45-50

-

50

55

>5

0-30

60-50

55+1.5f

-

55+1.5f

31-45

50-45

55+1.5f

-

55+1.5f

46-60

45-40

-

-

55+1.5f

61-80

40

-

αп**

55+1.5f

81-90

40-35

-

60***

55+1.5f

Неслоистое строение пород

5-10

0-30

65

65

-

70

31-50

60

65

-

70

51-80

65

-

αр.т

70

81-90

60

-

65

70

*) Не более 500;

**) Не более 650;

***) При αп > 800, fл.б. < fв.б.

Параметры зоны сдвижения дневной поверхности и деформаций массива необходимо знать не только для обеспечения сохранности поверхностных сооружений и расчета параметров предохранительных целиков, но и для выбора мест расположения подземных выработок (стволов, квершлагов, штреков и др.). Определяют параметры сдвижения инструментальными или расчетными методами маркшейдерской службой рудников. Для инструментальных наблюдений устраивают специальные наблюдательные станции на длительный или короткий срок в зависимости от поставленных конкретных задач.

Расчетные методы не могут быть универсальными из-за разнообразия горно-геологических и горнотехнических условий разработки. Они базируются на конкретных случаях при решении определенных задач. Этими методами пользуются, главным образом, для прогнозирования вредного влияния горных работ на подземные и поверхностные сооружения на стадии проектирования. Широко используются при этом данные по сдвижению и обрушению пород на аналогичных месторождениях.

Многолетний опыт маркшейдерских наблюдений обобщается в специальных нормативных документах в виде различных методических указаний и инструкций.

8.5. Последовательность обрушения пород.

На развитие процесса обрушения налегающих пород влияют:

  •  характер строения налегающих пород;
  •  физико-механические свойства налегающих пород;
  •  условия залегания;
  •  применяемые системы разработки;
  •  интенсивность и концентрация очистных работ;
  •  соотношение пролета подработки и глубины залегания месторождения.

Практика разработки рудных месторождений показывает, что к обрушению наиболее склонны трещиноватые или слоистые слабые породы, имеющие геологические нарушения. Процессы обрушения протекают интенсивнее при отработке пологопадающих и наклонных залежей, имеющих значительную мощность. При медленном подвигании очистных работ происходит постепенное растрескивание, расслоение и самообрушение подрабатываемых пород. Интенсивная же отработка может быть причиной "мгновенной" посадки в виде сплошных крупных блоков.

При отработке слепых залежей из-за последовательного сводообразования самообрушение пород может локализоваться, не достигая поверхности. В результате этого образуются скрытые полости, представляющие угрозу внезапной посадки.

Анализ разработки месторождений, представленных трещиноватыми породами относительно однородного строения, и опытов на моделях из эквивалентных материалов показал, что процесс обрушения пород над выработанным пространством можно разделить на два периода:

до обрушения поверхности и после ее обрушения.

Последовательное развитие обрушения трещиноватых пород однородного строения можно представить в виде принципиальной схемы, изображенной на рис. 8.3.

Рис 8.3. Принципиальная схема обрушения трещиноватых скальных пород однородного строения (пунктиром показаны линии сдвижения и самообрушения пород):

I, II, …, VI - порядок отработки блоков; 1, 2, 2’,…, 5, 5' – последовательность сводообразных обрушений; А, Б, В, Д - стадии самообрушения земной поверхности.

Отработка отдельных блоков (I, II, ...., VI) от середины шахтного поля к флангам способствует сводообразованию до момента достижения предельного пролета подработки Lп. Самообрушение пород на этой стадии характеризуется беспорядочными вывалами, отслоениями по имеющимся или вновь образующимся трещинам. Коэффициент разрыхления пород при таком обрушении может достигать 1,3— 1,4.

В крепких слаботрещиноватых или расслоенных породах своды обрушения бывают плоскими, а в неустойчивых сильно трещиноватых — высокими.

Например, в интенсивно раздробленных неустойчивых габбро-диабазах рудника "Заполярный" Норильского ГМК отношение максимальной высоты свода Вmaх к предельному пролету подработки Lп изменялось от 0,40 до 0,45. В то же время на рудниках Жезказгана, где породы менее трещиноваты, но обладают расслоениями согласными с залеганием залежи, - Вmaх / Lп =0,25÷0,30.

Первое обрушение поверхности в виде провала (стадия А, см. рис. 8.3), как правило, происходит над наиболее высокой частью естественного свода. В сильнотрещиноватых породах этому обрушению, как показывают маркшейдерские наблюдения, предшествует медленное сдвижение земной поверхности без разрыва сплошности. Интенсивное нарастание сдвижения наступает непосредственно перед тем как образуется провал. В малотрещиноватых породах провалы поверхности происходят внезапно без заметного сдвижения поверхности и предварительного появления трещин. Поэтому они представляют большую угрозу как для зданий, сооружений, так и для людей.

Общий коэффициент разрыхления пород на этой стадии разработки, судя по величине провалов и сдвижений поверхности, составляет 1,03— 1,06 и обычно не превышает 1,1. Это свидетельствует о незначительном разделении массива по трещинам, особенно на заключительной стадии обрушения (части массива А, Б, В, Д на рис. 8.3). Консольные зависания Б и В постепенно сползают в сторону обрушившихся пород под углами 75-90°, образуя на поверхности террасообразные площадки.

При применении систем с обрушением в слоистых осадочных породах характер обрушения и сдвижения пород определяется наличием слоистости. Нижняя часть зоны обрушения (сразу над выработанным пространством) характеризуется интенсивным дроблением и беспорядочным обрушением. Средняя — расслоениями, сдвижением и разломами отдельных слоев. Верхняя часть, примыкающая к наносам, может расслаиваться и изгибаться без разломов.

При крутом угле падения рудных залежей подрабатываемые породы висячего бока обрушаются вслед за выемкой руды. Если непосредственная кровля имеет слоистое или трещиноватое строение, то происходит самообрушение пород и частичное заполнение выработанного пространства. Основная же часть лежащего бока сползает в виде малораздробленных пород "призм" с некоторым отставанием (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Закономерности обрушения пород при отработке рудных тел крутого падения в условиях Криворожского железорудного месторождения (по данным В.Ф. Лавриненко):

I, II,.... IX - стадии отработки залежи; I’, II’,..., IX’ - стадии обрушения пород; Нкр, Нпр и Нотр - Глубина соответственно критическая, предельная и отработки; В - ширина зоны смятия; α - угол падения залежи; β,γ - углы сдвижения.

В зависимости от устойчивости пород эта задержка может быть на один - два этажа. Над выработанным пространством появляется зона обрушения с трещинами и разрывами, террасообразными уступами по периферии. Наиболее глубокая часть мульды сдвижения или зоны обрушения в зависимости от угла падения рудного тела располагается ближе к лежачему боку залежи. При значительной мощности залежей сползающие породные призмы и сверху породы являются причиной высокого давления на междуэтажные и междукамерные целики, лежачий бок залежи и рудный массив.

В лежачем боку залежи может появляться зона смятия пород, в пределах которой выработки становятся крайне неустойчивыми, требуют усиленной крепи, больших затрат на ремонт и поддержание. Есть мнение, что развитие зоны смятия обусловливается также действием горизонтальных сил бокового распора, направленных в сторону выработанного пространства.

Практика отработки криворожских железорудных залежей показала, что величина зоны смятия возрастает с увеличением глубины работ и будет максимальной на уровне такой глубины, при которой на лежачий бок и рудный массив приходится полный вес обрушенных пород (до дневной поверхности).

Начиная с определенной глубины (500-600 м и более) в результате перепуска и уплотнения обрушающихся пород скорости сдвижения поверхности замедляются, прекращается образование зон обрушения, уменьшается трещинообразование, появляются плавные оседания. По данным В.Ф. Лавриненко, ниже критической глубины происходят лишь сводообразные обрушения подрабатываемых пород, которые локализуются, не достигая поверхности.

8.6. Шаг обрушения пород.

Как отмечалось ранее, после выхода обрушения на поверхность и самопосадки консолей Б и Д (см. рис. 8.3) отработка продолжается в направлении от выработанного пространства к массиву. Начинается период разработки, когда образуются консоли пород, обрушающихся при определенном шаге подработки.

Величина шага обрушения зависит от воздействия многих факторов, из которых наиболее существенными являются свойства массива и силы подпора со стороны ранее

обрушившихся пород 2 и 3 (рис. 8.5 а).

Рис. 8.5. Расчетные схемы для определения шага обрушения при плотном (а) и недостаточном (б) подпорах со стороны ранее обрушившихся пород.

Плотно подпирающие консоль, они препятствуют развитию сдвигающих усилий, уменьшают величину шага обрушения, способствуют плавному сползанию консоли.

Как показывает практика, величина шага обрушения трещиноватых горных пород lо значительно меньше их мощности H. Обычно отношение H/ lо≥ 3÷6 и более.

Для расчета шага обрушения трещиноватых пород, если H/lо > 3, наиболее применима теория предельного равновесия. В формировании поверхности сдвижения решающую роль играет касательная составляющая Т веса консоли пород Р. Как показывают данные маркшейдерских замеров и результаты моделирования на эквивалентных материалах, угол наклона линии сдвига ω к горизонтали изменяется в пределах 75-90°. В расчетах, когда ω > 60°, вполне допустимо криволинейную поверхность скольжения считать плоской.

Если консоль плотно подпирается обрушенными породами (см. рис. 8.5, а), то сдвигающее усилие Т = Р sinω уравновешивается удерживающими силами трения F=N tgφ=Р cosω tgφ, сцепления С=с l (l = МД) и подпора QT.

Силу QT можно найти как составляющую пассивного давления QХ на подпорную стенку по Кулону:

QХ = 0.5 (H – x)2 γ’ tg2(π/4 – φ’/2)                                                   (8.3)

где х — осадка обрушенных пород: γ’, φ’ — соответственно удельный вес и угол внутреннего трения обрушенного материала.

             U

x = m --------- - H (Kраз - 1),                                                                 (8.4)

         1 –R

где m — мощность рудного тела 1; U,R — коэффициенты соответственно
извлечения и разубоживания руды; K
раз — коэффициент разрыхления,
изменяется в пределах 1,03—1,10.

Удерживающая составляющая силы подпора пород по линии МД будет

QT = QХ sinω tgφ,                                                                                 (8.5)

где \φ — угол внутреннего трения пород в массиве.

Условие предельного равновесия Т=F + С +QT после подстановки значений можно записать в виде

Р sinω cosω tgφ + сl + Qx sinω tgφ.                                                 (8.6)

Подставляя значение веса консоли Р=Н l0 γ и величину QХ в выражение (8.6) получим

      0.5 (H – x)2 γ’ tg2(π/4 – φ’/2) sin2ω tgφ + c H

l0 = -------------------------------------------------------------,                              (8.7)

                 γ H sinω (sinω – cosω tgφ)

где γ - удельный вес пород в массиве.

При недостаточном подпоре со стороны пород обрушившихся ранее, еще до начала сдвижения консоли, на земной поверхности появляются опережающие трещины разрыва, которые влияют на увеличение сдвигающих усилий в нижней части консоли (рис.8.5 б)

Трещины разрыва, как свидетельствуют примеры обрушения пород на апатитовых рудниках и опыты на моделях, распространяются почти вертикально в глубь массива на расстояние до (0,3÷0,5)Н.

Исследуя устойчивость откосов К. Терцаги установил, что максимальная глубина, которой могут достичь трещины растяжения в толще откоса, равна половине высоты свободно стоящего борта выемки. По Г.Л. Фисенко глубина распространения вертикальных трещин

          2 с

НТ = ----- tgω,                                                                                                             (8.7)

           γ

где с - удельное сцепление пород в массиве; ω= π/4 + φ/2.

Следовательно, при глубине разработки Н>НТ, когда высота подпирающих пород Нп≤0,5Н, процесс обрушения консоли можно разделить на периоды отрыва (трещинообразования) и сдвижения. Действие сдвигающих сил будет пропорционально глубине разрывающих массив трещин.

В отличие от предыдущего случая условие предельного равновесия (8.6) будет иметь вид

                                                  Н1

Р sinω cosω tgφ + с---------- + Qx sinω tgφ.                                                 (8.8)

                                       sinω

Шаг обрушения можно определить по формуле

      c (H – HТ) + Qx sin2ω tgφ

l0 = -------------------------------------,                                                                              (8.9)

      γ H sinω (sinω – cosω tgφ)

Расчеты, выполненные для условий рудника "Заполярный" по формуле (8.7) и апатитовых рудников по формуле (8.9) для глубин 200-300 м, показывают зависимость шага обрушения от глубины работ (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Расчетные значения шага обрушения для Кукисвумчоррского (1) и Но-рильского (2) месторождений.

Полученные результаты подтверждаются фактическими данными. Закономерность увеличения шага обрушения с глубиной работ объясняется возрастанием сил сцепления и подпора по поверхностям отрыва.

8.7. Взаимосвязь обрушения пород с опорным давлением.

Действие опорного давления на прилегающий рудный массив характеризуется:

  •  коэффициентом концентрации опорного давления Ко = σд / (γН) (где σд — действующее напряжение);
  •  шириной зоны опорного давления, т.е. расстоянием от кромки очистного забоя до точки в глубине массива, где действующие напряжения отличаются от первоначальных на 5—7 %;
  •  максимальной величиной опорного давления и зоной его действия;
  •  характером деформаций пород в зоне опорного давления.

Характер распределения опорного давления и динамика его изменения находятся в тесной взаимосвязи с состоянием располагающегося над выработанным пространством массива горных пород. Эта взаимосвязь особенно большое значение имеет при применении систем с обрушением, когда необрушающиеся зависающие породы могут создавать такое опорное давление, в результате которого раздавливается прилегающий рудный массив, разрушаются подготовительные и нарезные выработки, могут возникать горные удары.

Для снижения опорного давления, обеспечения безопасной и эффективной отработки необходимо постоянное и планомерное обрушение подрабатываемых пород по мере подвигания фронта очистных работ.

Изучению механизма опорного давления во взаимосвязи с состоянием налегающих пород при различных системах разработки как в нашей стране, так и за рубежом посвящены многие исследования в лабораторных и производственных условиях. Было установлено, что в прочных породах максимум опорного давления приходится на участки, близко прилегающие к очистному забою, а в породах, склонных к пластическим деформациям — он удален в глубь массива. Отмечается, что зона распространения опорного давления во втором случае занимает большую площадь, чем в первом. В реальных условиях максимум опорного давления в прочных породах обычно располагается на расстоянии 1,0—1,5 м от груди забоя, а в пластичных — более 2,0—2,5 м. В краевой части массива различают зоны пониженных I, повышенных II и первоначальных III напряжений (рис. 8.7).

Рис. 8.7. Эпюры распределения опорного давления в прилегающем к выработанному пространству массиве руды (2). Пунктирными линиями показано распределение опорного давления в упругих (1) и пластичных (3) породах.

Как показали результаты опытов на моделях, опорное давление возрастает с увеличением пролета выработанного пространства и задержкой обрушения пород (рис. 8.8).

Рис. 8.8. Нарастание опорного давления при постепенном увеличении пролета подработки и задержке обрушении пород (по данным моделирования):

1,2, 3,..., 16 - стадии отработки и соответствующие им эпюры опорного давления.

Постепенное нарастание коэффициента опорного давления по мере подработки иллюстрируется графиком на рис. 8.9.

Рис. 8.9. Изменение коэффициента опорного давления с увеличением пролёта подработки пород до обрушения поверхности.

Максимум опорного давления при достижении предельного пролета подработки (перед обрушением пород) может увеличиваться до (3÷5) γН. На рис. 8.10 показано изменение коэффициента опорного давления и зона распределения повышенных напряжений в различные периоды отработки.

Рис. 8.10. Изменение опорного давления на массив руды при предельном пролете подработки (по данным моделирования):

1 - до обрушения пород; 2 - после сводообразного обрушения пород; 3 - после провала поверхности.

Кривая 1 показывает характер опорного давления в период до обрушения пород. После сводообразного обрушения происходит снижение максимума опорного давления на краевую зону массива (кривая 2). Напряжения, развивающиеся в подработанной толще пород, вызывают провал поверхности, в результате которого образующиеся консольные зависания являются причиной опережающего деформирования краевой части массива. Эта стадия развития опорного давления хорошо иллюстрируется кривой 3. Сглаживается максимум опорного давления, уменьшается ширина зоны опорного давления. Опорное давление снижается до значения γН после полного обрушения консолей (стадии В, Д, см. рис. 8.3).

Исследования показывают, что максимум опорного давления зависит от шага обрушения консольных зависаний l0 и глубины работ H (рис. 8.11). Замечается снижение темпа роста коэффициента опорного давления с глубиной работ.

Рис. 8.11. Зависимость коэффициента опорного давления Ко от шага обрушения консоли lо при различной глубине разработки:

1 - 125 м; 2 - 250 м; 3 - 375 м; 4 - 450 м

Таким образом, между обрушением налегающих пород, величиной и распределением опорного давления существует тесная взаимосвязь. Для сохранения устойчивости рудного массива и обеспечения безопасных условий труда необходимо, чтобы интенсивность очистной выемки соответствовала скорости формирования зоны деформаций на фронте очистной выемки. Для этого требуется выбрать такие параметры отрабатываемых блоков руды, чтобы обрушение зависающих пород наступало прежде, чем появляются опасные деформации в рудном массиве.

8.8. Снижение и предотвращение вредного воздействия опорного давления.

Ввиду того, что опорное давление может быть причиной возникновения высоких напряжений в краевой зоне рудного массива и серьезных его деформаций при разработке месторождений системами с обрушением пород, рекомендуется применять следующие мероприятия по снижению и предотвращению вредного воздействия опорного давления на очистные блоки:

  •  создание благоприятных условий для своевременного самообрушения пород для ликвидации опасных зависаний;
  •  соответствие параметров отрабатываемых блоков шагу обрушения пород;
  •  принудительная посадка труднообрушаемых пород;
  •  опережающая выемка верхних частей блоков или надработка перенапряженных участков месторождения;
  •  применение податливых целиков и разгружающих выработок в зонах опорного давления;
  •  применение одностадийной отработки блоков вместо двухстадийной;
  •  строгое соблюдение интенсивности работ и порядка отработки месторождения (шахтного поля, участка, блока).

Управление обрушением пород. Чтобы обеспечить самообрушение пород вслед за подвиганием очистных работ, необходимо иметь достаточную протяженность фронта очистных работ в виде сплошной линии без оставления целиков. При этом запрещается выборочная выемка блоков. Все эти условия должны быть предусмотрены проектом и строго соблюдаться на практике.

Основанием для установления параметров отработки, достаточных для самообрушения пород, являются специальные исследования в производственных и лабораторных условиях.

Выбор направления фронта очистных работ необходимо согласовывать с основной системой трещин. Если линия фронта очистных работ совпадает с простиранием основных трещин, то при усилении опорного давления отдельные блоки руды будут сползать в сторону выработанного пространства. Поэтому рекомендуется направление линии фронта работ принимать под прямыми или крутыми углами к основной системе трещин, разделяющих массив руды.

Для предотвращения опасных деформаций трещиноватого массива при возрастании опорного давления необходимо параметры вынимаемых блоков руды принимать такими, чтобы подготовка и отбойка блоков завершались раньше появления в них опасных деформаций.

Многолетняя практика разработки рудных месторождений системами с обрушением показывает, что наиболее безопасна и эффективна выемка сплошным фронтом от середины месторождения (шахтного поля, этажа) к флангам. Прямолинейный (или уступный) фронт очистных работ должен быть ориентирован в соответствии с линией обрушения налегающих пород.

Если самообрушение пород задерживается и возникает угроза внезапной посадки пород, то для создания предохранительной "подушки" между работающими блоками и зависающими породами необходима принудительная посадка пород объемом, обеспечивающим дальнейшую безопасную выемку. Обычно, когда отрабатываются пологие или наклонные залежи, налегающие породы подрываются на высоту, равную или превышающую мощность залежи (рис. 8.12).

Рис 8.12. Схема принудительной посадки пород глубокими скважинами:

1 - массив руды; 2 - обрушенные породы; 3 - глубокая скважина.

При разработке месторождений с крутым углом падения подрывается висячий бок или междуэтажный целик для перепуска обрушенных пород с верхних этажей.

Принудительная посадка пород обеспечивает некоторое снижение опорного давления на прилегающий рудный массив. Обычно оно уменьшается на 10-15%. Практика показывает, что уменьшение величины опорного давления при принудительной посадке пород обратно пропорционально глубине работ, в то время как затраты на ее осуществление возрастают. Поэтому более радикальной мерой, обеспечивающей снижение опорного давления, является отработка блоков такими размерами, чтобы после их выемки происходило самообрушение пород.

Если налегающая толща представлена устойчивыми породами, то развитие естественного самообрушения затрудняется и поэтому, как правило, неизбежны опасные зависания подрабатываемого массива. Принудительное обрушение кровли неэффективно, так как после него самообрушения пород до поверхности не происходит. Образующиеся зависания и накопление незаполненных пустот представляют большую угрозу внезапной посадки. В этом случае рекомендуется метод управляемого самообрушения пород, основной принцип которого заключается в следующем.

В процессе отработки месторождения породы висячего бока поддерживаются целиками, имеющими значительный запас прочности. При достижении предельных пролетов и площадей подработки целики одновременно взрываются и вышележащие породы самообрушаются до поверхности. Затем отработка подвигается от обрушенного пространства. Если фронт работ имеет достаточную протяженность (обычно не менее 150—300 м), то продолжается управляемое обрушение консолей с определенным шагом. Величина опорного давления на массив руды до момента обрушения консоли повышается до (1,5÷2) γН и снижается после обрушения консоли до первоначального значения.

Надработка напряженных участков массива руды.. Сущность этого метода заключается в отрезке напряженных участков массива руды от вышележащих пород с целью снижения опорного давления. Для этого применяются: первоочередная выемка верхних подэтажей в блоке, проходка специальных разгружающих (защитных) или отсечных выработок со стороны висячего бока, первоочередная отработка вышележащих залежей (пластов, жил). В результате этого происходит разгрузка массива руды защищенных залежей, предназначенных для очистной выемки.

В качестве примера, поясняющего влияние опережающей выемки верхнего подэтажа на напряженное состояние расположенного ниже массива руды, можно привести надработку верхней части блока при системе этажного принудительного обрушения с одностадийной выемкой (рис. 8.13).

Рис. 8.13. Схема опережающей отбойки подэтажей при системе этажного принудительного обрушения:

1 — откаточный орт; 2 — выпускная воронка; 3 - подсечная выработка; 4 -отбитая руда; 5 - обрушенные породы; б - линия сдвижения породной консоли; 7 — эпюра опорного давления до обрушения консоли; 8 — то же после обрушения консоли; 9 - то же после образования зависания пород; 10 — линия отбойки руды; 11 - подэтажные выработки; 12 - массив руды.

Вследствие зависания консолей вышележащих пород массив руды в блоке может подвергаться воздействию высокого опорного давления (особенно при увеличении глубины работ). В результате этого деформируются буровые и выпускные выработки, смещаются пробуренные взрывные скважины. Чтобы предотвратить или снизить вредные проявления опорного давления, рекомендуется до выемки основной части секций в блоке (части I, Ш, V, VII) производить опережающую отбойку верхних подэтажей (II, IV, VI). Это приводит к разгрузке секций и перемещению максимума опорного давления на нетронутый массив. При зависании консолей, как правило, происходит опережающее деформирование верхней части рудного массива, поэтому целесообразно линию забоя в блоке по высоте делать ступенчатой или наклонной в сторону висячего бока, как это показано на рис. 8.13.

Из других примеров надработки при системе этажного принудительного обрушения следует привести применение опережающего взрывания блоков руды на всю высоту до проведения основной части нарезных выработок в днище блока (скреперных штреков, воронок, траншей и др.).

В практике встречается предварительная отсечка от вмещающих пород верхней части перенапряженных блоков руды или оставленных ранее целиков для их разгрузки и последующей выемки.

Применение одностадийной выемки. Как известно, при системах с обрушением блоки руды отрабатываются в одну или две стадии. При двухстадийной выемке сначала в блоках вынимаются компенсационные камеры, на которые затем взрываются целики, при одностадийной — руда отбивается на "зажатую среду" (т.е. на ранее отбитую руду или обрушенные породы) без предварительного образования компенсационных камер.

Максимум опорного давления при одностадийной выемке приходится на призабойный рудный массив (рис. 8.14, положение 1) при двухстадийной — на оставляемые временные целики (положения 2, 3). На целики его величина бывает в 1,5—2,0 раза выше, чем на массив. Отмечается, что при сохранении целиками жесткости напряжения выше в целике, прилегающем к выработанному пространству (положение 3).

Рис. 8.14. Распределение опорного давления:

1 - при одностадийной выемке; 2 и 3 - при двухстадийной выемке соответственно с одной и двумя компенсационными камерами; σ - действующие на целик и массив напряжения.

Величина коэффициента опорного давления зависит от соотношения пролета выработанного пространства L к глубине разработки H. Исследования на моделях из эквивалентных материалов показали, что при одинаковой величине Lкоэффициент опорного давления Ко ниже при одностадийной выемке (рис. 4.15). Поэтому одностадийную выемку целесообразнее применять при более слабых породах. При прочных нетрещиноватых породах, когда целики сохраняют свою устойчивость, более предпочтительна бывает двухстадийная выемка.

Рис. 8.15.  Зависимость коэффициента опорного давления Ко от соотношения L:

1,2— соответственно первый и второй целики при двухстадийной выемке; 3 — рудный массив при одностадийной выемке

Коэффициент опорного давления можно определить из выражения

Ко = λ (L)2 +1,                                           (8.10)

где λ — коэффициент, зависящий от условий разработки (находится экспериментально).

Принимая во внимание, что Ко = σZ/(γН), можно определить максимальное значение действующего напряжения σZ в зоне опорного давления при разработке до выхода обрушения на поверхность из формулы (8.10), подставив в нее значение Ко.

После обрушения поверхности при установившемся движении пород с шагом l0 значение максимальных σZ определяется:

на массив руды при одностадийной выемке

σZ’ = γН [λ (l0/Н)2 +1];                                                                             (8.11)

на целики при двухстадийной выемке

σZ” = Kст γН [λ (l0/Н)2 +1];                                                                      (8.12)

где Kст - коэффициент, зависящий от числа временно оставляемых в блоке целиков, при одном целике Kст =1,15÷1,20, при двух Kст = 1,3÷1.4.

Если [σсжм] > σZ и [σсжц] > σZ” (здесь [σсжм], [σсжц] пределы прочности пород на сжатие соответственно в массиве и целике), то успешно могут применяться как одностадийная, так и двухстадийная выемка. При

сжм] > σZ и [σсжц] < σZ” необходимо применять только одностадийную выемку.

Предельная глубина применения двухстадийной выемки может быть найдена после преобразований выражения (8.12) по формуле

                  ξ σZ

Нп = -------------------,                                                                                (8.13)

        Kст γ (ξ β2 +1)

где ξ - коэффициент ползучести пород ξ = 0,5 ÷0,7; β = l0/Н, изменяется от 0,1 до 0,3 (большие значения характерны для меньших глубин).

На больших глубинах, как правило, применяется одностадийная выемка, так как перенапряжение целиков при двухстадийной выемке может быть причиной горных ударов. При отработке блоков необходимо соблюдать сплошной фронт работ с минимальными размерами уступов по линии фронта.

Создание искусственной податливости пород. Данный способ имеет целью придавать упруго деформируемым породам пластические свойства. Если оставляемым при разработке месторождений целикам придавать искусственную податливость, то система «целик—вмещающие породы» будет работать совместно, и при увеличении горного давления, когда происходит сближение кровли и почвы очистного пространства, можно предотвратить разрушение целиков и обрушение кровли. Для этого необходимо, чтобы совместная работа вышеуказанной системы происходила в области допустимых деформаций.

Для создания искусственной податливости целиков пробуривают скважины в породах почвы под целиками или разбуривают (без взрывания) массив целика под кровлей залежи параллельными скважинами, оставляя между ними промежутки пород (шириной 5—7 см); пропиливают в целиках горизонтальные щели; вынимают верхнюю часть целика (толщиной 0,7-1,0 м) и закладывают ее низкомодульным материалом.

При отработке пологих калийных пластов Старобинского месторождения системой длинными столбами с обрушением для предотвращения опасного трещинообразования водоупорной глинистой толщи применяется плавная посадка вышележащих пород (рис. 8.16).

Рис. 8.16. Управление обрушением пород при податливых целиках

Оставляются податливые целики шириной 3 м; шаг обрушения непосредственной кровли составляет 9 м. Образующиеся трещины в основной кровле затухают ниже границы водоупорной толщи и поступление воды с верхних горизонтов в подземные выработки предотвращается.

Для сохранности выработок (конвейерных, транспортных, вентиляционных), расположенных в панельных целиках и подверженных воздействию значительного опорного давления, параллельно проводят специальные разгружающие штреки, вокруг которых образуют зону податливости. С этой целью из разгружающих выработок буровзрывным способом или врубовой машиной проходят щели податливости на глубину 0.8—1.8 м в кровли, почве и боках в зависимости от предполагаемой зоны формирования пластических деформаций (рис. 8.17).

Рис. 8.17. Поперечное сечение разгружающего штрека, пройденного в слабых породах:

1 — щели податливости; 2 - деревянный вкладыш; 3 - контур зоны податливости пород.

Разгружающие штреки проводят раньше охраняемых выработок на расстоянии 2,5—3,0 м от них и располагают несколько выше (на 0.8 м) уровня почвы этих выработок.

При увеличении опорного давления разгрузочные щели начинают смыкаться. Для более плавного смыкания в них рекомендуется вкладывать отрезки дерева или полиуретана. Практика показала, что приконтурный массив горных пород в результате пластического деформирования не разрушается. Если необходимо продлить срок службы выработки, то возможно дополнительное образование щелей с учетом последующего уменьшения площади сечения выработки.

Практически разгружающие щели можно делать в любых выработках, пройденных в слабых породах и подлежащих охране при воздействии на них опорного давления.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34620. Мастерство полемического стиля Белинского 23 KB
  Приемы полемики: каждая статья носит прямой или скрытый полемический характер. прием интеллектуальной бури. прием иронической ремарки независимо от того о ком он пишет. прием притворного простодушия.
34621. Историко-литературная концепция Белинского и ее эволюция 45.5 KB
  Вся литература до Пушкина – пересаженное иноземное растение. Сочинения Пушкина периоды: Ломоносовский карамзинский державинский пушкинский. Русская литра развивалась по двум направлениям которые слились в творчестве Пушкина. НШ как понимал ее Белинский никак не связана с творчеством Пушкина.
34622. Творчество Лермонтова в оценке критики 40-х гг 29 KB
  Его ждет душевная чахотка и гибель. Белинский: когда вышел роман Белинский пишет: дьявольский талант глубокий и могучий ум озлобленный рассудочный охлажденный взгляд Пушкин умер не без наследника лейтмотив статьи Белинского про Л. Белинский попал под магическое влияние и скучно и грустно назывет его рефлекторным следовательно вся поэзия Л рефлекторна. бел оправдывает рефлексию безверие.
34623. Споры вокруг творчества Гоголя в критике 30 – 40-х гг 27 KB
  Аксаков и Белинский. Бел в ЛМ 1834 г. В 1839 Бел пишет статью Горе от ума где большая часть посвящена Ревизору в которой пытается навязать читателю примирение с действительностью. МД Бел много сделал для того чтобы рукопись вышла в печать.
34624. Цикл статей Белинского «Сочинения Пушкина» 24.5 KB
  Цикл статей Белинского Сочинения Пушкина С 1843 г. В грусти наиболее национальная черта поэзии Пушкина. Пушкина сотворила натура и история 1 2 3 статьи – монографический обзор литературы 19 века: Ломоносов Державин Жуковский. С 4 статьи в строго хронологическом порядке исследует творчество Пушкина.
34625. Писатели НШ в оценке критики 40-х гг 22.5 KB
  Началась полемика. Эта полемика продолжалась и в обзорах Белинского. Полемика не привела к победе западников над с ф но она дала импульс к развитию критического реализма.
34626. Неославянофильство и почвенничество в критике 50 – 60-х гг 29 KB
  Основные идеи неославянофильства и почвенничества: идеализация общинного национального сознания соборность русского народа в силу климата географического положения соборность смиренномудрие национальный характер сохраняется не только в крестьянстве но и в купечестве. Размышляет что такое СОБОРНОСТЬ. Разводит понятия СОБОРНОСТЬ и КОЛЛЕКТИВ. Соборность не уничтожает индивидуальность народа.
34627. Философские искания Белинского. Основные периоды критической деятельности 35.5 KB
  Философские искания Белинского. В отношении к Белинскому всегда были крайности любви и ненависти. После смерти Белинского его имя запретили упоминать в печати. Пыпин в монографии Белинский.
34628. Основные положения эстетического кодекса Белинского 29.5 KB
  Художники все понимают. Великий художник мыслит не образами внешнего мира а категориями внутренней красоты. Художник – медиум; он передатчик воли абсолютной разумной силы. Отсюда он выделяет у художника такие категории как естественность правдивость верность действительности.