21862

Управление геомеханическими процессами при системах с естественным поддержанием выработанного пространства

Лекция

География, геология и геодезия

В этой группе систем разработки поддержание очистного пространства осуществляется за счет естественной устойчивости обнажений массивов полезного ископаемого и вмещающих пород. Следует заметить что данная группа систем разработки применяется как правило в условиях устойчивых массивов пород. Очевидно в такой постановке вопроса устойчивое состояние любых элементов системы разработки определяется соотношением действующих в массиве пород напряжений и деформационнопрочностных свойств пород слагающих рассматриваемый элемент. Если конкретно...

Русский

2013-08-04

848 KB

48 чел.

33

h2

h1

N2

1

F2

F1

G2

G1

Падение залежи

б

а

N

h





h

N

Тема 5. Управление геомеханическими процессами при системах с естественным поддержанием выработанного пространства. 4 часа лекций + 4 часа практических занятий.

Общие замечания. Определение размеров допустимых обнажений кровли очистных пространств. Поддержание выработанного пространства целиками. Форма целиков. Несущая способность целиков в условиях упругого деформирования и хрупкого разрушения. Несущая способность целиков при их склонности к неупругому деформированию. Особенности нагружения и разрушения целиков на наклонных залежах. Учёт динамических воздействий взрывных работ при определении оптимальных параметров очистных выработок и целиков.

5.1. Общие замечания.

В этой группе систем разработки поддержание очистного пространства осуществляется за счет естественной устойчивости обнажений массивов полезного ископаемого и вмещающих пород. Следует заметить, что данная группа систем разработки применяется, как правило, в условиях устойчивых массивов пород.

При этом управление геомеханическими процессами осуществляется поддержанием открытого выработанного пространства и налегающей толщи (часто, до поверхности) целиками, оставляемыми в выработанном пространстве на длительный срок. 

Основные расчётные параметры: – пролеты очистных камер, сетка оставления целиков, размеры целиков (ширина или диаметр), должны обеспечить:

  •  устойчивость всех элементов системы разработки – очистных камер и целиков;
  •  безопасность горных работ в открытом выработанном пространстве;
  •  условия для эффективного применения высокопроизводительного самоходного добычного оборудования;
  •  минимальные потери и разубоживание руды.

Вообще под устойчивым состоянием понимают такое состояние какого-либо элемента системы, когда без дополнительных мероприятий обеспечивается безопасность работающих людей и нормально выполняется технологический цикл.

На основе общих представлений механики устойчивость какой-либо системы может быть охарактеризована условиями, обеспечивающими сохранение ее состояния в течение заданного времени. Применительно к элементам систем устойчивость можно определить как способность сохранения, во-первых, формы и, во-вторых, размеров элементов, обеспечивающих их эксплуатацию в течение необходимого периода.

Очевидно, в такой постановке вопроса устойчивое состояние любых элементов системы разработки определяется соотношением действующих в массиве пород напряжений и деформационно-прочностных свойств пород, слагающих рассматриваемый элемент. Существенно зависит состояние элементов и от ряда технологических факторов: взрывных работ; размеров шахтного поля или добычного участка (панели, блока и т.п.); способа погашения ранее отработанных очистных пространств и др.

Если конкретно говорить об обнажениях пород (в кровле или боках очистной выработки), то очевидно, что для каждого сочетания горно-геологических условий (в конечном счёте, сочетания действующих напряжений и деформационно-прочностных свойств массива) существуют определенные размеры обнажений пород в выработках, при превышении которых выработки приходят в неустойчивое состояние и их эксплуатация становится небезопасной. В подобных случаях параметры элементов систем разработки либо выбирают таким образом, чтобы обнажения пород не превышали критических размеров для действующего в элементах уровня напряжений, либо упрочняют эти элементы, применяя различные виды крепи или технологические приёмы.

При системах с естественным поддержанием выработанного пространства с целью регулирования размеров обнажений пород оставляют целики, т. е. нетронутые участки рудного тела, пласта или вмещающих пород. При этом в зависимости от применяемой технологии целики или извлекают после отработки основной части полезного ископаемого на участке, горизонте, или же оставляют в недрах, что, естественно, приводит к увеличению потерь полезных ископаемых. Извлечение целиков, как правило, сопровождается трудностями в организации и обеспечении работ, а иногда требует применения специфических систем разработки.

В случаях, если оставляют целики излишне больших размеров, это приводит к неоправданным потерям, если же размеры целиков недостаточны, то происходит их разрушение, которое влечет за собой перераспределение напряжений в окружающем массиве пород, часто в обширных областях. При этом разрушение целиков на одном участке может вызвать лавинообразное разрушение целиков на соседних участках. С этой точки зрения оставление недостаточных по размерам целиков может приводить к гораздо большим трудностям, нежели ведение работ вообще без оставления целиков.

Все параметры элементов любой системы разработки взаимосвязаны и взаимообусловлены, они образуют единую «связку» в массиве горных пород. Поэтому для обоснованного определения их оптимальных параметров в общем случае необходимо рассматривать напряженно-деформированное состояние всей «связки» элементов. При системах рассматриваемого класса эта «связка» состоит из почвы очистной выработки — целика — кровли очистной выработки — толщи вышележащих пород — дневной поверхность.

В принципе, наилучшим способом исследования «связок» являются аналитические методы и методы математического моделирования. При этом возможна оценка как состояния всей «связки» в целом, так и отдельных её элементов, практически, с любой степенью детальности.

Однако в практике горных работ весьма часто возникают потребности оценить состояние и выбрать оптимальные параметры каких-либо локальных элементов, не прибегая к исследованию всей указанной цепочки. Для подобных случаев весьма широко применяется подход, когда в каждом конкретном случае стремятся выявить наиболее слабое звено—лимитирующий элемент, устойчивое состояние которого предопределяет состояние всех остальных звеньев, и, исходя из параметров этого элемента, устанавливают остальные параметры элементов всей системы разработки.

Часто подобными лимитирующими элементами является кровля камер, во многих случаях лимитирующими элементами будут целики, реже — почва выработок. Лимитирующим элементом может быть вышележащая толща пород. Это характерно для условий применения комбинированных систем разработки рудных тел открытым и подземным способом, а также для условий добычи легкорастворимых полезных ископаемых (например, солей) и при ведении горных работ под водоемами, когда необходимо обеспечивать устойчивость пород во избежание трещин, провалов, прорывов воды и пр. Наконец, лимитирующим элементом может являться и дневная поверхность в случаях, когда необходимо обеспечить устойчивость наземных зданий и сооружений.

В данной теме рассмотрим вопросы естественного поддержания выработанного пространства в случаях, когда лимитирующими элементами являются кровля очистных выработок и опорные целики.

Для расчета оптимальных параметров очистных выработок и целиков необходимо:

а) установить характеристики нагрузок (величины напряжений в массиве пород), действующих на элементы системы разработки, размеры которых подлежат определению;

б) на основании характеристик напряженно-деформированного состояния и сравнения их с деформационно-прочностными параметрами пород, слагающих кровлю и целики, оценить несущую способность и устойчивость этих элементов.

Первый пункт указанной последовательности операций может быть выполнен с привлечением различных методов (теоретических и экспериментальных), о которых речь шла выше. Он является необходимым при оценке несущей способности целиков и обнажений пород, но принципиальных отличий от методов определения напряженного состояния массива пород вокруг выработок не имеет. Второй пункт составляет сущность расчета оптимальных параметров целиков и обнажений пород в очистных выработках. Он в обязательном порядке включает проверку указанных элементов систем разработки на прочность и устойчивость.

Методы определения параметров предохранительных и охранных целиков, когда лимитирующими элементами являются вышележащая толща пород и дневная поверхность будут освещены позже, при рассмотрении вопросов управления геомеханическими процессами при других классах систем разработки.

5.2. Определение размеров допустимых обнажений кровли очистных пространств.

При разработке месторождений полезных ископаемых лимитирующим элементом часто является кровля выработок, поскольку именно здесь, в первую очередь, возможно образование областей растягивающих напряжений, к которым особенно чувствительны массивы горных пород вследствие своих структурных особенностей и деформационно-прочностных свойств. Наряду с этим в кровле очистных выработок, особенно в областях, примыкающих к целикам, могут образовываться зоны действия высоких сжимающих напряжений. Это может иметь место, когда очистные выработки располагаются в однородных или близких по деформационно-прочностным характеристикам породах, и при этом целики полностью сохраняют сцепление с массивом пород по своим основаниям.

Таким образом, задача об определении параметров устойчивых очистных выработок может быть сведена к нахождению размеров предельных обнажении пород в кровле выработок.

В основе определения предельных размеров обнажении пород лежат предрасчеты напряженно-деформированного состояния пород вокруг очистных выработок и сравнение их с соответствующими критериями. В качестве таких критериев могут быть приняты либо деформации и напряжения, либо размеры областей или зон, где проявляются, концентрируются опасные деформации и напряжения.

Оба вида критериев используют, например, в методах оценки устойчивости кровли очистных выработок, разработанных профессором В. Д. Слесаревым [Слесарев В.Д. Крепление подземных выработок. – М.: Гостоптехиздат, 1940.].

При этом в основу подхода В.Д. Слесарева положено понятие об эквивалентном предельном пролете, под которым подразумевается ширина выработки неограниченной длины, устойчивость которой эквивалентна устойчивости кровли выработки произвольной формы. Другими словами, В.Д. Слесарев сделал попытку устойчивость изометрической выработки весьма сложных неправильных очертаний привести к устойчивости протяжённой выработки с одним единственным параметром – шириной – пролётом.

Такой подход завоевал большую популярность, был оправдан достаточной простотой и наглядностью, он давал достаточно приемлемые с точки зрения практики результаты, в частности, для пластовых месторождений, где структурные неоднородности выражены несколько слабее и представлены, главным образом, контактами по слоям. В силу же этой особенности в подходах В. Д. Слесарева учитываются, главным образом, только один из возможных видов разрушения — отрыв.

Величина эквивалентного пролета обнажения, защемленного по всему периметру, В.Д. Слесарев предложил определять по формуле

          a b

L = ------------,                                                                                (5.1)

      a2 + b2

где a, b – размеры сторон обнажения, м.

При этом критерием устойчивости обнажения принимается неравенство

L  lпр,                                                                                             (5.2)

где lпр предельный перед обрушением пролёт выработки неограниченной длины, определяемый расчётным или опытным путём.

На основе изложенного подхода были предложены различные эмпирические формулы для разнообразных горно-геологических условий.

Например, для условий железорудных месторождений Кривого Рога было [Инструкция по определению геометрических параметров этажно-камерных систем разработки в Криворожском железорудном бассейне. Кривой Рог: изд. НИГРИ, 1973.] установлено, что предельный эквивалентный пролет наклонного обнажения пород в камерах составляет:

                           a b

                lпр.н = ----------,                                                                                (5.3)

                      a2 + b2

где a, b – соответственно размеры камер по простиранию и падению залежи, м.

Величина предельного пролёта горизонтального обнажения пород в кровле очистных камер в нетрещиноватых однородных породах может быть вычислена, исходя из параметров свода обрушения над выработкой, по формуле [Фисенко Г.Л. Предельные состояния горных пород вокруг выработок – М.: Недра, 1976]

                          5 σр

                lпр = ----------,                                                                                (5.4)

                          2γ

где σрпредел прочности пород на растяжение, МПа; γ – плотность пород в кровле, т/м3.

В случае трещиноватых пород величина предельного пролёта горизонтального обнажения пород в кровле очистных камер вычисляется с учётом коэффициента структурного ослабления трещиноватого массива λ:

                          5 σр

                lпр = ---------- λ.                                                                                (5.5)

                          2 γ

В формулах (5.4) и (5.5) в качестве параметра используется только предел прочности пород на растяжение, т. е. учитывается только один из возможных видов разрушения — отрыв при действии растягивающих напряжений.

На практике образование зоны растягивающих напряжений, а, следовательно, и области возможного разрушения кровли в результате отрыва пород предотвращают, оформляя кровлю очистных камер в виде свода Параметры свода для камер с отношением высоты (b) к пролету (l) до 1/10 приближенно можно устанавливать из условия

 b         1       1

----- = ----- -----                                                                                     (5.6)

 l          4       5

где b —стрела подъема свода; l —пролет очистной выработки.

Вместе с тем в реальных условиях разрушения в массивах горных пород происходят и при действии сжимающих напряжений в форме сдвига или скола, в первую очередь, по контактам структурных неоднородностей того или иного порядка.

Для учета этого вида разрушения—сдвига, особенно характерного для массивов пород блочной структуры, можно использовать условия [(3.8), тема 3], которые применяют при расчете параметров зон нарушенных пород вокруг капитальных и подготовительных выработок. Применимость этих условий к очистным выработкам подтверждается натурными наблюдениями за состоянием приконтурной области массива пород вокруг очистных выработок.

Инструментальными измерениями установлено, что вокруг очистных выработок, как и вокруг подготовительных, образуется зона нарушенных пород, в пределах которой наблюдаются раскрытые трещины и частично нарушается связь между структурными блоками. В результате создается реальная опасность вывалов пород. Для скальных массивов предельный безопасный размер зоны нарушенных пород от контура очистной выработки в глубь массива составляет 0,4 м.

Рассчитывая размеры зоны нарушенных пород по формулам (3.8) и сравнивая расчетные значения с предельными безопасными, оценивают устойчивость очистных выработок. Если расчетные значения превышают критические, следует предусматривать специальные мероприятия по обеспечению устойчивости выработок — уменьшение площади обнажения пород путем оставления целиков, путём изменения размеров и конфигурации очистных камер или возведение крепи.

Глубиной распространения зоны нарушенных пород от контура выработок в сторону массива определяются также размеры возможных вывалов из кровли, в частности их высота (рис 5.1).

Рис 5.1. Схема действия сил на структурный блок в кровле и стенке выработки после реализации скола по поверхностям структурных неоднородностей - граням выделенных структурных блоков

Для условий очистных выработок проводить оценку устойчивости только по параметрам зоны нарушенных пород недостаточно, поскольку вследствие больших площадей обнажения пород в них возможны вывалы и обрушения блоков плитообразной формы. В этих случаях при незначительной высоте вывалов поперечные размеры их в плане могут быть очень велики. Подобные обрушения весьма опасны, так как помимо непосредственной угрозы людям они могут вызывать разрушительные воздушные волны и создавать опасные напряжения в массиве от удара обрушившихся масс. Вследствие этого при определении размеров предельных обнажений в очистных выработках необходимо задаваться не только критическим размером зоны нарушенных пород, но и максимально допустимыми линейными размерами (в плане) отдельных вывалов и обрушений.

Линейные размеры вывалов (в плане) находятся в определенной взаимосвязи между собой и, кроме того, определяются соотношениями объемного веса пород, напряжений распора структурных блоков и коэффициентов трения по контактам структурных неоднородностей, ограничивающих эти структурные блоки.

Эти соотношения в первом приближении могут быть выражены следующим условием образования вывалов:

              1          1

-------- ------ + --------                                                                          (5.7)

2 f0 P       a          b

где а и b — поперечные размеры возможных вывалов или обрушений (в плане); Р—распор структурных блоков; fo—коэффициент трения по поверхностям структурных неоднородностей, - объёмный вес пород.

Это неравенство в системе координат (а, b) представляет собой гиперболическую кривую, разграничивающую области устойчивых и неустойчивых обнажении.

Из параметров, входящих в зависимость (5.7), наиболее трудно определяются коэффициенты трения по поверхностям структурных неоднородностей и напряжения распора структурных блоков в пределах зоны нарушенных пород.

Экспериментальные данные о коэффициентах трения по поверхностям структурных неоднородностей практически отсутствуют. Имеющиеся единичные результаты определения коэффициентов трения для некоторых разновидностей руд и пород приведены в табл.5.1.

Коэффициенты трения некоторых горных пород и руд.

Таблица 5.1

Тип пород (руды)

Коэффициенты трения

движения

покоя

Пятнистая апатитовая руда

0.33

0.46

Рисчоррит

0.15

0.33

Сфеновый ийолит

0.26

0.38

Ийолит-уртит

0.25

0.47

Мончикит

0.19

0.38

Луяврит

0.25

0.53

Из табл.5.1 следует, что значения коэффициента трения движения для указанных пород колеблются в пределах 0,15 — 0,33, а коэффициента трения покоя — в пределах 0,33 — 0,47. Очевидно, для расчетов целесообразнее использовать коэффициенты трения движения с тем, чтобы возможная погрешность шла в запас прочности.

Распор структурных блоков Р пока не представляется возможным надежно измерять в натурных условиях. Однако можно предположить, что верхний его предел можно установить, исходя из горизонтальных напряжений в кровле очистных выработок, если бы зона нарушенных пород отсутствовала. При таком предположении распор структурных блоков можно приближенно оценивать по результатам аналитических определений напряженно-деформированного состояния массива вокруг очистных выработок. Распор структурных блоков может также устанавливаться и методом обратных расчетов, если в условиях (5.7) известны (например, из натурных наблюдений за устойчивостью выработок) размеры отдельных вывалов.

Вполне очевидно, что при увеличении распора Р структурных блоков или коэффициентов трения fo по поверхности структурных неоднородностей размеры устойчивых обнажении возрастают.

На рис 5.2 приведена диаграмма устойчивых обнажений кровли очистных выработок в зависимости от напряжений бокового распора структурных блоков Р и коэффициента трения fo по поверхностям структурных неоднородностей. Значение объемного веса ввиду его сравнительно малой изменчивости для массивов скальных пород принято постоянным ( =3,0 тс/м3).

Рис 5.2. Области устойчивых обнажении кровли выработок при различных значениях удельной силы трения.

Из диаграммы следует, например, что если произведение Pfo = l, то предельные размеры устойчивых обнажении aхb составляют всего лишь 2х1 м (точка А); 3х0,8 м (точка Б) и т. п. Если произведение Pfo =10, то предельные размеры устойчивых обнажении возрастают до 13,5х13,5 м (точка В); 20х10 м (точка Г) и т. п.

Во многих случаях непосредственную опасность могут представлять вывалы пород и из стенок выработок, особенно для условий большепролетных подземных сооружений типа машинных залов гидроэлектростанций, туннелей и т. д. При этом, в отличие от кровли, размеры вывалов из стенок выработок определяются лишь одним параметром — размером вывала вдоль выработки, но в предположении наличия горизонтальных естественных трещин, по которым возможен отрыв выпадающего блока.

Аналитически это выражается формулой:

sin    1

------ -- ---- ,                                                                                            (5.8)

2 f0 P      b

где - угол наклона плоскостей эффективных структурных неоднородностей (в частном случае, углы падения крупноблоковых естественных трещин для очистных выработок или подземных сооружений)

На рис. 5.3 представлена диаграмма для определения размеров возможных вывалов из стенок большепролетных выработок при различных значениях углов наклона , структурных неоднородностей, по которым происходит скольжение вывала.

Рис. 5.3. Диаграмма для определения размеров возможных вывалов b из стенок большепролетных выработок при различных значениях углов наклона плоскостей скольжения и силы трения.

Графическое представление предельных размеров устойчивых обнажений пород в выработках в виде некоторого семейства кривых было впервые предложено профессором Г. А Крупенниковым в 1952 г при изучении устойчивости выработок в условиях Подмосковного бассейна. При этом устойчивость выработок Г. А. Крупенников оценивал по смещениям кровли и к устойчивым обнажениям относил обнажения, при которых не происходило обрушений пород в течение определенного, заданного условиями технологии выемки угля, периода времени.

Аналогичным образом можно приближенно устанавливать параметры устойчивых обнажений по результатам визуального обследования.

На рис 5.4 в качестве примера приведена диаграмма устойчивых обнажений, построенная по данным визуальных обследований выработок на одном из медноникелевых месторождений Кольского полуострова, где разрабатывалась свита вертикальных маломощных жил системой с открытым очистным пространством и распорной деревянной крепью. При этом все обнажения пород на месторождении с некоторой условностью относили к одному из следующих трех случаев:

видимые нарушения пород отсутствовали, обнажение считалось устойчивым;

проявления горного давления слабые: это выражалось в раскрытии отдельных небольших трещин в боковых породах, в образовании небольших заколов на локальных участках выработок, в изгибании или поломке отдельных элементов крепи в очистных блоках;

проявления горного давления весьма интенсивные: ярко выраженные заколы по обеим стенкам штреков, изгиб и поломка крепи в блоках, обрушение и завал штреков.

Рис. 5.4. Диаграмма устойчивости обнажении пород по результатам визуальных обследований (рудник Ниттис-Кумужья, Кольский полуостров).

Область: 1 - устойчивых обнажений, 2 - слабых проявлений горного давления, 3 - интенсивных проявлений горного давления.

На осях координат указаны размеры выработанного пространства по падению а и по простиранию б.

Кроме рассмотренных, известны способы расчета устойчивых обнажений кровли очистных выработок на основе определения разрушающих нагрузок.

При этом, выполняя расчеты устойчивости кровли камер по разрушающим нагрузкам, следует вводить в расчетные размеры необходимый коэффициент запаса, обеспечивающий надежность использования расчетных параметров. Однако в настоящее время отсутствуют обоснованные рекомендации по выбору оптимального коэффициента запаса, обеспечивающего как безопасность ведения горных работ, так и экономичность инженерных решений. На практике коэффициент запаса принимают обычно равным 2—3, а для особо ответственных случаев и больше.

Помимо рассмотренных основных факторов, определяющих устойчивость пород в выработках, предельные размеры обнажении зависят и от ряда других факторов, учет которых может представлять иногда существенные трудности. К этим факторам относятся, например, снижение деформационно-прочностных характеристик пород с течением времени, влияние взрывных работ и др. Поэтому в практике в качестве наиболее надежного способа определения параметров устойчивых обнажений широко применяют производственные эксперименты. Сущность таких экспериментов заключается в постепенном увеличении пролетов камер до предельных, устанавливаемых по критическому состоянию кровли (до первого обрушения кровли или до заданной величины ее прогиба).

Например, подобными экспериментами и практикой горных работ установлено, что на рудниках Жезказгана устойчивыми являются пролеты камер:

  •  если кровля представлена серыми песчаниками - 15 м;
  •  если кровля сложена красноцветными породами - 1213 м.

На Белоусовском руднике (филиал ВостокКазмедь) при разработке пологих участков залежей камерно-столбовой системой устойчивые пролеты камер по многолетнему практическому опыту (разработку Белоусовского месторождения ведут уже более 200 лет) составляют 78 м.

Путем обобщения практического опыта применительно к тем или иным конкретным условиям месторождений составляются частные классификации пород по устойчивости кровли. Основой этих классификаций обычно служат качественные признаки: петрографический состав, структурные и текстурные особенности пород, глубина заложения выработок, гидрогеологические условия и др.

Так, академик АН СССР М И. Агошков подразделяет горные породы по устойчивости кровли на 5 групп:

1. Породы весьма неустойчивые, не допускающие даже незначительных обнажений в кровле и боках выработки без крепления, т. е. требующие, как правило, применения опережающей крепи.

2 Породы неустойчивые, допускающие небольшие обнажения кровли и боков, т. е. требующие поддержания непосредственно вслед за выемкой.

3 Породы средней устойчивости, допускающие обнажения на относительно большой площади, т. е не требующие поддержания их сразу вслед за выемкой.

4 Породы устойчивые, допускающие значительные обнажения и требующие поддержания только в отдельных местах или через некоторые интервалы.

5 Породы весьма устойчивые, допускающие весьма большие обнажения без крепления.

При этом М И Агошков указывает, что сразу после обнажения породы часто не проявляют признаков неустойчивости, но через некоторое время вследствие изменения свойств пород во времени и под воздействием процессов выветривания становятся непрочными и теряют устойчивость.

Классификацию пород кровли по устойчивости с учетом времени существования обнажений приводит профессор А. А. Борисов. В этой классификации породы разделены на неустойчивые, слабоустойчивые, среднеустойчивые, устойчивые и весьма устойчивые.

К неустойчивым отнесены породы, которые без крепления не дают устойчивых обнажений, т е. обрушаются вслед за подвиганием забоя. Слабоустойчивые породы сохраняют устойчивость в призабойной полосе шириной до 1 м в течение 2—3 ч. Среднеустойчивые породы обеспечивают устойчивость обнажении в призабойной полосе шириной до 2 м в течение 1 сут., устойчивые — в течение 2 сут. Весьма устойчивые породы обладают длительной устойчивостью в призабойной полосе шириной 5—6 м.

На эксплуатируемых месторождениях со стабильными горно-геологическими и горнотехническими условиями отнесение пород к той или иной группе (классу) рассмотренных классификаций больших трудностей обычно не представляет.

5.3. Поддержание выработанного пространства целиками. Формы целиков.

В общем случае основным назначением любых целиков является предотвращение развития недопустимых деформаций в массиве окружающих пород и предотвращение увеличения размеров зон разрушения. В зависимости от того, для охраны каких объектов они предназначены и каковы сроки их существования, целики подразделяют на несколько видов.

Целики, предназначенные для охраны сооружений поверхностного комплекса шахт и рудников от вредного влияния очистных работ, называют предохранительными, срок их службы составляет обычно несколько десятилетий и часто совпадает с общим сроком эксплуатации горнорудного предприятия.

Для охраны капитальных вскрывающих выработок (стволов, штолен, штреков или квершлагов) оставляют соответствующие охранные целики (околоствольные, околоштольневые и т. д.). Срок их службы также весьма длителен и, как и в первом случае, может достигать нескольких десятков лет.

Для поддержания очистных пространств, предохранения подготовительных выработок, а также для исключения влияния очистных работ на соседних участках оставляют опорные целики. Это наиболее массовый вид целиков, срок их существования обычно составляет несколько лет, т. е. соизмерим с периодом отработки отдельных участков, блоков или камер.

В отличие от предохранительных и охранных целиков, опорные целики фактически являются несущими конструкциями, они должны оставляться для поддержания от обрушения части или всего массива, подработанного очистными выработками в случае, если обнажение горных пород в кровле превышает предельно допустимую величину.

Все многообразие пространственных схем расположения целиков, встречающихся при разработке пластовых и рудных месторождений, может быть сведено к следующим основным случаям:

а) неограниченная периодическая последовательность одинаковых по своим размерам и формам междукамерных, околоштрековых и других целиков;

б) неограниченная периодическая последовательность целиков различных размеров и формы;

в) бессистемное расположение целиков различных размеров и конфигурации;

г) одиночные целики различных параметров.

По конфигурации горизонтальных сечений различают целики ленточные и столбчатые (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Схемы поддержания очистных пространств с помощью ленточных (а) и столбчатых (б) целиков.

Конфигурация поперечных сечений определяет условия работы целиков. В частности, ленточные целики работают в условиях плоской деформации, в то время как столбчатые целики – в условиях одноосного сжатия. Эти особенности должны учитываться при определении устойчивых размеров целиков.

Условия работы целиков определяются рядом факторов, основные из них:

  •  глубина разработки;
  •  мощность и угол падения отрабатываемого месторождения;
  •  напряжённо-деформированное состояние массива вышележащей толщи и окружающих пород;
  •  общие размеры и конфигурация выработанного пространства;
  •  размеры и форма целиков;
  •  деформационно-прочностные характеристики массива пород, слагающих целик;
  •  характер контактов массива пород целика с вмещающим массивом;
  •  наличие или отсутствие дополнительных динамических воздействий и др.

При этом первые пять из упомянутых факторов определяют величины основных нагрузок, которые действуют на целики, а следующие два – характер реакции целиков на прилагаемые нагрузки.

5.4. Несущая способность целиков в условиях упругого деформирования и хрупкого разрушения.

Если целики сложены достаточно прочными упругими породами и деформируются вплоть до разрушения с проявлением лишь упругих деформаций, но при этом имеют неполное сцепление по своим основаниям с массивом пород в почве и кровле выработок вследствие слабых контактов между рудной залежью или угольным пластом и вмещающими породами, то обычно их рассматривают как лимитирующий (слабейший) элемент.

В подобных случаях нахождение оптимальных параметров системы разработки необходимо начинать с определения несущей способности целиков, производя расчет на прочность по разрушающим нагрузкам.

При этом схема расчётов выглядит следующим образом:

  1.  Определение нагрузки на целик.

С этой целью при определённых предположениях определяется вес массива вышележащих пород, который приходится на один целик.

  1.  По величине нагрузки и площади поперечного сечения целика определяются величины действующих напряжений.
  2.  Величины действующих напряжений сравниваются с пределом прочности пород, слагающих целик.
  3.  С учётом коэффициента запаса делается вывод об устойчивости и работоспособности целика.

Если устойчивость целика признаётся недостаточной, то уменьшается расчётная нагрузка на целик путём сгущения сетки оставления целиков и уменьшения объёма массива пород вышележащей толщи, приходящегося на целик.

Вообще существуют два различных режима нагружения и деформирования целиков:

  1.  режим заданной нагрузки от веса налегающей толщи пород;
  2.  режим совместного деформирования целиков и вмещающих пород.

При этом в каждом случае приходится вводить специальные предположения о характеристике действующих и допустимых нагрузок и о распределении напряжений в целиках.

В первом случае одним из основных предположений является предположение о восприятии целиками веса всей толщи налегающих пород в пределах площади выработанного пространства:

                          n

Р = S H ср = S i hi,                                                                                     (5.9)

                        i=1

где i — объемные веса слоев пород над целиками; hi, — мощности слоев пород; S—площадь выработанного пространства; Н—глубина разработки от земной поверхности.

Это предположение положено в основу метода расчета целиков, предложенного академиком АН СССР Л. Д. Шевяковым [Шевяков Л.Д. Разработка месторождений полезных ископаемых. – М.-Л.:Углетехиздат,1953.]. По этому методу размеры целиков определяют фактически по теории прочности О. Мора в предположении, что целики работают в условиях одноосного сжатия, а вертикальные напряжения сжатия по любому горизонтальному сечению целиков распределены равномерно. При этом фактическую неравномерность распределения вертикальных напряжений в целиках учитывают введением коэффициента запаса прочности.

Нагружение целиков в режиме заданной нагрузки от веса налегающей толщи реализуется при условии L / Н 1 (т.е. пролет выработанного пространства больше или равен глубине). Обычно это условие выполняется при разработке обширных залежей (при больших пролетах подработки налегающей толщи L), расположенных на малой глубине H.

Условие расчета размеров прочных целиков в этом случае имеет вид:

S H ср + s h0   s [сж]/n                                                                       (5.10).

где h0высота целика; —объемный вес пород в целике; ср —средний объемный вес пород, залегающих над целиком; s—площадь горизонтального сечения целика; S—площадь выработанного пространства; nкоэффициент запаса прочности, [сж] - предел прочности пород при одноосном сжатии.

В предельном случае

S         [сж]          h0 

---- = ----------  - ------------.                                                                       (5.11)

s        n H ср        H ср

Отношение S/s определяется конфигурацией горизонтальных сечений целиков и окружающих их горных выработок. Для ленточных целиков (рис. 5.6, а)

Рис 5.6. Схемы к определению методом Л Д. Шевякова размеров прочных ленточных (а), столбчатых (б) и сложной конфигурации (в) целиков.

S         А + х

---- = ----------,                                                                                           (5.12)

s           х

где Аширина камеры; храссчитываемая ширина целика.

Из выражений (5.11) и (5.12) следует

                        А

х = ---------------------------------

        [сж]          h0                                                                                    (5.13)

      ---------- -  ---------- - 1

        n H ср      H ср

Для столбчатых целиков, окруженных выработанным пространством в виде камер с поперечными размерами АхВ (рис. 5.6, б), ширину целика при заданной его длине L определяют из выражения

                А + А В/ L

х = -------------------------------------

        [сж]          h0          В                                                                       (5.14)

      ---------- -  ---------- - ----- - -1

        n H ср      H ср       L

В практике горных работ, особенно на рудных месторождениях, часто встречаются случаи, когда выработанное пространство имеет сложную конфигурацию в плане, а целики располагаются в выработанном пространстве нерегулярно. В этих случаях область массива вышележащих пород, приходящуюся на проектный целик, определяют граничной линией, равноотстоящей от существующих и проектируемого целиков (рис. 5.6, в).

В основе метода Л. Д. Шевякова лежит предположение о равномерном распределении вертикальных напряжений по сечению целика, справедливое лишь для относительно высоких целиков при отношении высоты к ширине более 3—3,5. Поэтому данный метод обеспечивает достаточную точность определения параметров целиков только для месторождений со сравнительно большой выемочной мощностью.

При небольшой высоте целиков метод Л. Д. Шевякова приводит к завышению необходимых размеров целиков, так как при этом не учитывают образование в центральной части целика некоторой области пород, находящейся в условиях всестороннего сжатия и вследствие этого способной воспринимать весьма высокие нагрузки.

В отличие от метода Л. Д. Шевякова член-корр. АН СССР В. В. Соколовский использует для расчета целиков теорию предельного равновесия, рассматривая раздельно случаи соотношения размеров их поперечных сечений b<h и b>h (рис. 5.7).

Рис 5.7. Схема к расчету целиков по методу В. В. Соколовского.

а - схема расчета напряжений в целике; б - определение зон предельного состояния.

Идея метода В. В. Соколовского [Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. – М.:Физматгиз,1960] заключается в том, что сначала определяют нагрузку на среднее сечение целика, при которой последний переходит в состояние предельного равновесия, а затем, сравнивая полученное значение с весом столба пород над целиком, т. е. с максимально возможной нагрузкой, получают коэффициент запаса прочности. По значению последнего судят о соответствии выбранных размеров целиков условиям их работы.

В несколько иной постановке предлагает определять параметры целиков профессор К. В. Руппенейт [Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород. М.:Углетехиздат,1954,384с.]. По упругим статическим напряжениям в целиках, определяемым из решения соответствующих задач теории упругости, а также исходя из паспорта прочности пород, слагающих целики, находят значение разрушающей нагрузки. Фактически действующую нагрузку или давление на целик К. В. Руппенейт рекомендует определять по методу Л. Д. Шевякова. Далее, так же как и в методе В. В. Соколовского, сравнивая действующие и разрушающие нагрузки, определяют коэффициент запаса прочности.

В некоторых случаях для определения нагрузок на целики успешно применяют принципы строительной механики, в соответствии с которыми давление на целики определяют как реакции опор из решения статически неопределимых систем при использовании условия совместности перемещений кровли, почвы и собственных деформаций целика.

Однако при этом следует учесть, что наиболее простое предположение Л. Д. Шевякова о действующей нагрузке, равной полному весу вышележащих пород, в массивах, сложенных равнопрочными породами, обеспечивает вместе с тем и определение максимально возможной нагрузки на целики. Все же другие методы уточняют значение нагрузки на целики, причем наиболее существенное уточнение в сторону снижения этих значений наблюдается для относительно широких целиков (при ширине равной или большей высоты) и при числе последовательных камер, разделенных целиками, менее четырех.

Второй режим нагружения целиков (в режиме заданных вертикальных смещений от прогиба кровли и поднятия почвы выработанного пространства) характерен для условий разработки залежей с ограниченными пролетами L на большой глубине Н, т.е. при L / Н 1 (рис. 5.8 а).

Оседание кровли и поднятие почвы  происходит в результате разгрузки вертикального гравитационного давления Н на обнаженных поверхностях кровли и почвы отработанных очистных камер. Сближение (конвергенция) кровли и почвы ( + ) на площади выработанного пространства принципиально неодинаковое: на границах выработанного пространства его можно принять нулевым, в то время как в центре выработанного пространства оно максимально.

Рис. 5.8. Схемы к расчету нагрузок на МКЦ по принципу совместности

деформаций целиков и вмещающих пород

Смещения вмещающих пород деформируют целики. Они сжимаются по вертикали и расширяются в горизонтальных направлениях. Поэтому вертикальное сжатие целика (абсолютная деформация, равная уменьшению его высоты h) равно сближению кровли и почвы = +. Вертикальное сжатие целика приводит к возникновению нагрузки N на него, которая на целики в центральной части выработанного пространства (где самые большие смещения вмещающих пород) больше, чем на границе с массивом (где конвергенция кровли и почвы минимальны).

Если полагать, что деформирование целиков происходит в пределах упругости, то в соответствии с законом Гука, напряжение, действующее в целике равно = N / F= E / h.

Откуда

N =EF / h,                                                                                            (5.15)

где E – модуль упругости, МПа; F – площадь сечения целика.

Величину EF / h  называют жесткостью целика и обозначают G.

Тогда нагрузку на целик можно определять по формуле:

N = G.                                                                                                  (5.16)

Эта формула означает, что нагрузка на целик N прямо пропорциональна величине его сжатия и жесткости G. 

Следствиями этого являются:

  •  неравномерность нагружения целиков по площади выработанного пространства: центральные целики, наиболее удаленные от кромки массива воспринимают большую нагрузку, чем периферийные, в том числе и находящиеся вблизи забоя, т.к. смещения вмещающих пород больше в центре очистного пространства (рис. 5.8 а);
  •  прямая зависимость нагрузки на целик от его жесткости: чем жестче целик, тем большую нагрузку он воспринимает.

Если два рядом стоящих целика имеют разную жесткость, то большую нагрузку несет более жесткий целик, т.е. тот, у которого больше сечение и (или) меньше высота (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Соотношение нагрузок на целики разной жесткости

С абсолютными величинами нагрузок на целики оперировать неудобно. Поэтому величины нагрузок на целики N нормируют по глубине Н и по площади кровли S, приходящейся на один целик. Для этого используют коэффициент нагрузки Кн, равный

Кн = N /(HS).                                                                                  (5.17)

Коэффициент нагрузки показывает, какую часть от полного веса налегающей толщи до поверхности на площади S несет данный целик. Это безразмерная величина, она может быть больше и меньше 1.

В случае, если все целики одинаковы, и каждый целик воспринимает полный вес толщи пород до поверхности, то Кн = 1. Это может иметь место при больших пролетах выработанного пространства L на малой глубине Н (т.е. при L / H  1. (Это соответствует подходу Л.Д. Шевякова). Условие L / H  1 называют условием полной подработки налегающей толщи.

Если целики разные (так чаще бывает на практике), то у более жестких целиков Кн  1, а у менее жестких (более податливых) Кн  1, даже в условиях полной подработки налегающей толщи.

Существуют компьютерные программы, которые позволяют рассчитывать распределение нагрузок между целиками по принципу совместности деформаций целиков и вмещающих пород.

На рис. 5.10, в качестве примера, показано расчетное распределение нагрузок между целиками в панели на глубине 300 м, поддерживаемой 615 рядами целиков, оставленных по сетке 2020 м, при равных модулях упругости руды и вмещающих пород (Жезказганское месторождение). Обобщенная эпюра нагрузок имеет вид некоторого свода с максимальными значениями в центре выработанного пространства. МКЦ, примыкающие к границе выработанного пространства, нагружены значительно меньше (на 30% - в середине длины панели, на 70% - в углах).

5.10. Расчетное распределение нагрузок на целики в панели

Очень важным фактором при распределении нагрузок на целики является соотношения модулей упругости вмещающих пород и руды. В тех случаях, когда массив вмещающих пород обладает существенно большей жесткостью, чем полезное ископаемое, средняя нагруженность целиков может составлять 1030% от полного веса пород до поверхности. Это связано с малой величиной прогиба «жесткой» толщи покрывающих пород на контуре выработанного пространства. В условиях, когда вмещающая толща имеет существенно более низкие упругие свойства («мягкая» толща), чем полезное ископаемое, средняя нагруженность целиков может увеличиться до 7090%, приближаясь полному весу столба пород до поверхности.

В качестве примера рассмотрим опыт поддержания выработанного пространства целиками на рудниках Жезказганского месторождения.

Промышленная разработка Жезказганского месторождения началась на верхних горизонтах в 30-х годах прошлого века с применением камерных систем с нерегулярным оставлением междукамерных целиков (МКЦ). Вопрос, где оставлять целик, с каким диаметром и с каким пролетом отрабатывать камеру, оставлялся на усмотрение горного мастера. Он решал эти вопросы на месте, сообразуясь с собственным опытом и визуальной оценкой устойчивости кровли. После отработки камерных запасов многие из ранее оставленных целиков извлекались в выборочном порядке. Зачастую, даже после разрежения сетки целиков и увеличения пролетов кровля сохраняла свою устойчивость. Так пополнялся опыт о допустимых пролетах обнажения кровли.

Позднее, многие десятилетия разработка Жезказганского месторождения велась, в основном, с оставлением столбчатых междукамерных целиков круглого сечения по сетке 2020 м. Это означает, что один целик поддерживает 400 м2 кровли. С переходом горных работ на большие глубины из-за увеличения нагрузок и проектных размеров самих целиков перешли на сетку 2222 м, чтобы пролеты камер в свету были не менее 12 м.

При разработке перекрывающихся в плане залежей на расположение целиков накладывается еще одно ограничение: при малой мощности породного междупластья (меньше 30 м) МКЦ на перекрывающихся залежах должны быть соосны (т.е. оси целиков должны располагаться по одной вертикальной линии). Это требование выполняется, если принять для всех перекрывающихся залежей единый размер сетки целиков. Поэтому и в настоящее время при разработке перекрывающихся залежей МКЦ оставляют по сетке 2020 м. На одиночных залежах сетка целиков может быть расширена до (l + d), где l – устойчивый пролет камеры в свету (15 м или 12 м в зависимости от типа пород кровли); d – диаметр МКЦ.

На Белоусовском руднике, где породы кровли имеют среднюю устойчивость (т.е. допускают обнажение кровли на площади до 400 м2), столбчатые МКЦ на пологих участках залежей оставляют по сетке 1010 м. При такой сетке один целик поддерживает кровлю на площади 100 м2.

Для расчета размеров целиков в условиях негоризонтального залегания рудных залежей необходимо учитывать не только вертикальное давление вышележащих пород на целик, но и нормальное давление пород висячего бока. В зависимости от того, какое давление преобладает, расчет параметров устойчивых целиков производят исходя из вертикальных или горизонтальных нагрузок.

Во всех рассмотренных методах расчетов целиков вследствие недостаточной изученности процессов нарушения их устойчивости необходимо задавать значение коэффициента запаса прочности. Для целиков его обычно принимают в пределах от 2 до 7, а в отдельных случаях и более в зависимости от строения и структуры пород в целике, степени изученности их свойств, условий работы целиков и др. Это вносит значительную неопределенность в методику выбора параметров целиков, и заставляет, в ряде случаев, завышать их геометрические размеры. Подобный путь определения несущей способности целиков не учитывает возможности появления пластических деформаций и разрушений в отдельных точках и локальных (например, краевых) областях целиков, поскольку в конечном итоге расчет ведут по средним значениям напряжений.

5.5. Несущая способность целиков при их склонности к неупругому деформированию.

В случаях, когда породы, в которых проводят очистные выработки и оставляют целики, проявляют пластические и вязкие свойства, расчеты на прочность кровли выработанного пространства и целиков необходимо дополнять оценкой деформируемости и жесткости системы целик—очистная выработка— вышележащая толща. При этом необходимо, чтобы деформации всех звеньев упомянутой системы не только не превышали определенных критических значений, но и соответствовали бы друг другу. Последнее условие достигается при равенстве скоростей деформирования отдельных элементов. При анализе деформируемости системы обычно пренебрегают местной сминаемостью почвы и кровли залежи над и под целиками по сравнению с продольной деформацией (сжатием) целиков и полагают для упрощения, что продольная деформация системы кровля — целик — почва под действием веса вышележащей толщи пород определяется исключительно деформацией целика.

Однако, как известно, сжатие целиков в продольном направлении вызывает их расширение в поперечном. Поперечная деформация целиков связана с продольной соотношением

прод = Кпоп,                                                                                           (5.18)

где К коэффициент поперечного расширения.

Коэффициент поперечного расширения целиков может принимать различные значения в зависимости от свойств пород, слагающих целики, и даже превосходить единицу при возникновении в целике областей разрушения, продольных трещин и др.

Возрастание поперечной деформации целиков во времени, а также увеличение продольной деформации системы кровля — целик — почва и, как следствие этого, нарушение вышележащей толщи пород протекают одновременно, причем трудно предсказать, какой из процессов в большей степени определяет устойчивость всей системы в целом. В соответствии с этим применяют и различные методы расчета целиков, учитывающие развитие того или иного вида деформаций во времени.

Наибольшее применение для предрасчета предельных деформаций целиков находит теория ползучести горных пород. Порядок вычислений при этом аналогичен расчету деформаций ползучести вокруг выработок. За основу принимают выражения перемещений, определенные из рассмотрения упругого деформирования пород, в которых (в соответствии с принципом Вольтерра — Работнова) упругие постоянные Е и v заменяют соответствующими временными операторами. Конкретный вид операторов зависит от функции ядра ползучести, принятой для рассматриваемых пород.

С точки зрения последующего учета ползучести пород удобны способы расчета параметров целиков, основанные на применении методов строительной механики и позволяющие представить упругие деформации или перемещения целиков в виде элементарных выражений.

Как показывают расчеты, в результате проявления реологических свойств пород существенно изменяются во времени нагрузки, воспринимаемые отдельными целиками. При этом некоторые из целиков будут “уходить” из-под нагрузки, давление на них будет уменьшаться, в то время как другие целики, воспринимая все увеличивающееся давление, могут оказаться перегруженными. Соотношение жесткостей пород почвы, кровли и самих целиков влияет на перераспределение нагрузок и напряжений в системе целик—порода. Целики, обладающие большей жесткостью по сравнению с породами кровли и почвы или по отношению к другим целикам, будут воспринимать и большие нагрузки.

В свою очередь на жесткость пород, слагающих целики, оказывают влияние изменчивость механических свойств пород на отдельных участках месторождений, а также их структурные характеристики, особенно естественная трещиноватость.

Наряду с описанным методом применяют также методы расчета целиков, основанные на натурных наблюдениях за деформированием и устойчивостью целиков и выработок. Так, исследуя деформируемость соляных пород во времени, К.-Г. Хефер экспериментально установил зависимость между скоростью поперечного расширения ленточных целиков с отношением А/а =1—1,25 (Аширина камеры; аширина целика) и расчетным давлением на них для условий бассейна Южный Гарц (рис. 5.11а).

Рис 5.11. Зависимость скорости деформирования целиков от действующих напряжений в условиях соляных месторождений Южного Гарца (а) и номограмма для расчета устойчивых размеров целиков (б).

По результатам натурных наблюдений можно рассчитать время достижения целиками предельной поперечной деформации, значение которой в зависимости от условий принимают равной (0,01—0,03)а. Для упрощения расчетов К.-Г. Хефер разработал номограмму (рис. 5.11 б).

Как и в методе К.-Г. Хефера, но только по скоростям продольных деформаций, предложил рассчитывать устойчивые параметры целиков И. А. Карманов. При этом зависимость скорости сжатия целиков от различных факторов, в том числе от действующей нагрузки, прочности пород и формы целика, а также расстояния от границ отработки определяют из натурных наблюдений за сближением кровли и почвы камер. Предельную скорость деформирования целиков устанавливают из условий устойчивости (раскрытия трещин) вышележащей толщи пород.

5.6. Особенности нагружения и разрушения целиков на наклонных залежах.

Особенностью наклонных залежей является постепенное увеличение глубины горных работ. Поэтому распределение нагрузок на МКЦ в панелях оказывается несимметричным. Для примера на рис. 5.12 показано расчетное распределение нагрузок на целики в одиночной панели, в которой оформлено 710 рядов целиков. Длинная сторона панели ориентирована по падению залежи. Угол падения 30. Коэффициент бокового давления в природном поле напряжений – 2 (для условий Анненского рудника, Жезказганское месторождение). Средняя глубина горных работ 300 м. Соотношение модулей пород вмещающей толщи и руды 0,75. Высота МКЦ - 10 м, площадь поперечного сечения 78 м2.

Рис. 5.12. Нагруженность МКЦ на наклонной залежи.

Средняя нагруженность МКЦ на наклонных залежах Кн может быть найдена по формуле:

Кн = КнК = Кн(1 + + (1 - )Cos2)/2,                                        (5.19)

где Кн – средний коэффициент нагрузки на МКЦ в аналогичной панели при горизонтальном залегании; К  коэффициент влияния угла падения залежи ;   коэффициент бокового давления в природном поле напряжений.

Зависимости значений К от угла падения залежи и коэффициента бокового давления в природном поле напряжений показаны на рис. 5.13.

Рис. 5.13. Зависимости коэффициента влияния угла падения залежи К от угла падения при различных коэффициентах бокового давления в исходном массиве.

Данные зависимости означают следующее:

  •  При боковом давлении в массиве Н, превышающем вертикальное Н (  1), средняя нагруженность МКЦ на наклонных залежах становится больше, чем на горизонтальных залежах. И чем круче падение, чем больше боковое давление в природном массиве, тем эта разница становится больше.
  •  При гидростатическом распределении исходных напряжений в нетронутом массиве ( = 1) средняя нагруженность МКЦ не зависит от угла падения отрабатываемой залежи.
  •  При отсутствии в массиве высоких тектонических напряжений (  1) с увеличением угла падения залежей средняя нагруженность МКЦ снижается.

5.7. Учёт динамических воздействий взрывных работ при определении оптимальных параметров очистных выработок и целиков.

Большое количество одновременно взрываемых взрывчатых веществ (ВВ) при проведении очистных работ приводит к необходимости учитывать динамические воздействия взрывов на устойчивость выработок и целиков.

В породах после взрыва имеет место волновое движение среды, характеризующееся изменяющимися во времени и в пространстве напряжениями и деформациями, скоростями перемещения частиц породного массива, скоростями распространения деформаций. При этом каждая точка среды, по мере прохождения волны напряжений, последовательно будет оказываться в различных напряженных состояниях. В зависимости от удаления точки от центра заряда, мощности взрыва, а также деформационно-прочностных характеристик массива пород наблюдаемые напряжения, перемещения, деформации и другие параметры могут иметь различные значения и зачастую превосходить пределы прочности пород. Вследствие этого в окружающем массиве будут развиваться области разрушения.

На весьма близких расстояниях от центра заряда горные породы разрушаются под воздействием высоких давлений, которым сопутствуют скорости смещения частиц, исчисляемые сотнями и тысячами метров в секунду, а также температуры до нескольких тысяч градусов. Эту зону называют зоной раздавливания или сжатия.

Далее от заряда располагается зона горных пород, где разрушение происходит с образованием трещин кольцевого и радиального направлений. Она называется зоной трещинообразования или разрыхления. Ее размеры, так же как и зоны сжатия, принято оценивать по отношению к радиусу заряда Ro. Абсолютные значения радиальной протяженности зоны разрыхления обычно не превышают нескольких метров.

Зоны сжатия и трещинообразования образуют так называемую ближнюю зону действия взрыва.

Непосредственно за ближней зоной в массиве выделяют среднюю зону, где максимальные напряжения уже недостаточны для разрушения (раздавливания) пород, однако возможно появление упруго-пластических, в том числе и сдвиговых деформаций, перемещений отдельных блоков, раскрытие трещин и развитие разрушений по поверхностям других структурных неоднородностей. Обычно протяженность средней зоны составляет около 100 Ro,, т. е. достигает одного - двух десятков метров.

Затем простирается дальняя зона или зона сотрясения, в которой проявляются главным образом упругие деформации.

Перечисленные зоны не имеют резких границ, их выделение носит в известной степени условный характер.

При любом воздействии нагрузки на деформирующийся элемент в последнем возникают два вида деформаций: один из них характеризует изменение объема элемента (деформации сжатия—растяжения), другой—изменение его формы (деформации сдвига). При однократном импульсном воздействии в среде одновременно возникают оба вида указанных деформаций, однако их дальнейшее распространение в массиве происходит с различными скоростями. В результате этого, в отличие от статического нагружения, когда тензор деформаций в каждой точке в любой момент времени содержит все девять компонентов, в условиях динамического воздействия нормальные и сдвиговые компоненты разделены во времени, а, следовательно, и в пространстве.

Если волны деформаций или напряжений достигают границы каких-либо сред, то в общем случае возникают две отраженные—продольная и поперечная—и две преломленные (тоже продольная и поперечная) волны.

Особое значение для практики имеет случай нормального падения на границу раздела плоской продольной волны, при котором возникают лишь продольные отраженные и преломленные волны, амплитуды которых зависят от акустической жесткости сред:

             2vP2 - 1vP1

А2 = А1-------------------

            2vP2 + 1vP1

                                                                                                            (5.20)

                 21vP1

А2 = А1-------------------

            2vP2 + 1vP1

где A1амплитуда падающей плоской продольной волны; А2, A4,—амплитуда соответственно отраженной и преломленной продольных волн, 1, 2—плотность соответственно первой и второй сред; vP1, vP2скорость распространения продольной волны соответственно в первой и второй средах.

В различных породных массивах могут быть различные соотношения акустических жесткостей контактирующих сред. Особенно опасен случай, когда 2v2=0. Такому случаю соответствуют условия на поверхности обнажения пород в выработках, поскольку, как это следует из первой формулы системы (5.20), на поверхности обнажения амплитуда перемещений в отраженной волне противоположна по знаку амплитуде падающей волны. Другими словами, при падении волны сжатия отраженная волна представляет собой волну растяжения.

С процессом отражения волн напряжений от поверхности обнажения в выработках обычно и связывают явления трещинообразования, отколов, вывалов и других видов потери устойчивости выработок, обусловленных воздействием взрывных работ. При этом необходимо отметить, что единых представлений о механизме разрушения реальных материалов под воздействием падающих и отраженных волн при взрывах ВВ пока нет. Поэтому большинство методов учета влияния взрывных работ представляют собой эмпирические подходы, которые базируются исключительно на результатах натурных наблюдений и экспериментов.

В частности, в начале 50-х годов, когда были зафиксированы первые массовые случаи разрушения горных выработок при взрывных работах вследствие применения отбойки глубокими скважинами, был предложен метод оценки устойчивости междукамерных целиков, исходя из значений линии наименьшего сопротивления и диаметра заряда. Условия устойчивости при этом имеют вид неравенства

b 3w;                                                                                                       (5.21)

b 100 dз

где bустойчивая ширина целика; wлиния наименьшего сопротивления; dздиаметр заряда.

Однако в этих зависимостях совершенно не учтены деформационно-прочностные характеристики пород, а также масса заряда и тип ВВ.

Эти недостатки устранены в методе оценки сейсмоустойчивой ширины целиков, предложенном профессором А. Н. Ханукаевым. При этом учет влияния взрывных воздействий основан на определении так называемых критических значений приведенной массы заряда Q (или обратной ее величины—приведенного расстояния R):

Приведенная масса Q представляет собой расчетный параметр, связывающий массу заряда q и расстояние от центра заряда r:

Q = 3 q/r                                                                                              (5.22)

Для определения устойчивой ширины целика по экспериментальным данным устанавливают эмпирическую зависимость между радиальными напряжениями и приведенным расстоянием R, а затем возможные радиальные напряжения сравнивают с пределом прочности пород на растяжение.

Таким путем определяют то критическое значение R, которое соответствует пределу прочности пород на растяжение, и, исходя из этого значения, устанавливают параметры целиков так, чтобы в них исключалось возникновение опасных разрушающих напряжений. Если же изменить размеры целиков невозможно или нецелесообразно, то необходимо уменьшать массу одновременно взрываемого заряда. Весьма эффективно при этом применение короткозамедленного взрывания.

Однако и этот метод не дает возможности учесть в полной мере, как свойства пород, так и особенности их разрушения при взрывных воздействиях.

Дальнейшим развитием подобных эмпирических подходов следует считать методы оценки устойчивости краевых зон выработок и целиков по формулам типа:

rc = K3 q,                                                                                               (5.23)

где rcрадиус безопасного сейсмического воздействия взрыва; Кэмпирический коэффициент, учитывающий деформационно-прочностные свойства массива пород.

На рис 5.14 представлены экспериментальные зависимости размеров сейсмобезопасных целиков от массы заряда ВВ, взрываемого одновременно для условий рудников с различными значениями коэффициента К.

Максимальные значения К, а, следовательно, и максимальные радиусы сейсмического воздействия соответствуют слоистым породам с широким развитием глинистых прослойков, высокотрещиноватым и рассланцованным породам. Минимальные значения свойственны относительно монолитным рудам с расстоянием

Рис. 5.14. Зависимости размеров сейсмобезопасных целиков от массы заряда ВВ для различных рудников.

1Каула, 2—им Губкина, 3Миргалимсайский, 4 им. Коминтерна, 5— Дегтярский, 6—Зыряновский и Таштагольский; 7 — им. Р Люксембург, 8 Высокогорский.

между трещинами в них 1— 1,5 м.

Если при оценке устойчивости обнажений пород описанными методами выявлена вероятность их разрушения под воздействием взрывных нагрузок, то необходимо предусматривать специальные мероприятия, направленные на повышение устойчивости элементов систем разработки. При этом весьма эффективным методом является изменение формы целиков, в частности, оформление целиков с наклонными стенками (с вертикальными сечениями в виде трапеций) или придания им криволинейных очертаний.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

9660. Правовая и нормативная база государственного регулирования коммерческой деятельности 36 KB
  Правовая и нормативная база государственного регулирования коммерческой деятельности. Коммерческое право - совокупность правовых норм, разработанных для обслуживания товарного оборота и регулирующих взаимоотношения между профессиональными предп...
9661. Стимулирование коммерческой деятельности 26.5 KB
  Стимулирование коммерческой деятельности. В наше время предприятия более чем когда-либо вынуждены изыскивать новые и эффективные способы увеличения объема продаж. Для этого они в своей коммерческой деятельности прибегают к стимулированию. В течение ...
9662. Стандартизация деятельность по установлению правил и характеристик 47 KB
  Стандартизация. Стандартизация - это деятельность по установлению правил и характеристик в целях их добровольного многократного использования, направленная на достижение упорядоченности в сферах производства и обращения продукции и повышение ко...
9663. Лицензирование. Государственная регистрация субъектов предпринимательства 49.5 KB
  Лицензирование. Эффективным средством воздействия государственных органов и органов местного самоуправления на предпринимательство является государственная регистрация субъектов предпринимательства и лицензирование отдельных видов деятельности. Отеч...
9664. Сертификация продукции и услуг 52 KB
  Сертификация продукции и услуг. Сертификация - это деятельность специальных органов исполнительной власти, прошедших государственную регистрацию в качестве системы сертификации в порядке, установленном Госстандартом России. Сертификация устанавливае...
9665. Экспертиза и гигиеническая оценка товаров 47 KB
  Экспертиза и гигиеническая оценка товаров. Сертификация услуг представляет собой процедуру подтвержденная соответствия, посредством которой независимая от исполнителя услуг и потребителя (покупателя) организация удостоверяет в письменной форме, что...
9666. Регистрация и аттестация продукции и услуг 32 KB
  Регистрация и аттестация продукции и услуг. Государственная регистрация продукции осуществляется на основании статьи 43 Федерального закона Российской Федерации от 30 марта 1999 г. N 52-ФЗ О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения, ста...
9667. Правила торговли 62.5 KB
  Правила торговли Определение внешнеторговой деятельности дается в Федеральном законе от 13 октября 1995 г. № 157-ФЗ О государственном регулировании внешнеторговой деятельности. Под ней понимается предпринимательская деятельность в области междун..
9668. Товарооборот, цены и тарифы. Правовое регулирование цен 32 KB
  Товарооборот, цены и тарифы Цена - это денежное выражение стоимости продукции, работ, услуг. Разновидностью цены является тариф, который применяется при перевозке. Цены подразделяются на: свободные регулируемые. Свободная цена складывае...