Управление геомеханическими процессами при системах с естественным поддержанием выработанного пространства

72

Тема 5. Управление геомеханическими процессами при системах с естественным поддержанием выработанного пространства

(4 часа лекций + 4 часа лабораторных занятий)

Общие замечания. Определение размеров допустимых обнажений кровли очистных пространств. Поддержание выработанного пространства целиками. Формы целиков. Напряжённое состояние и несущая способность целиков в условиях режима заданной нагрузки. Несущая способность целиков в условиях упругого деформирования и хрупкого разрушения. Несущая способность целиков в условиях режима взаимовлияющих деформаций. Несущая способность целиков при их склонности к неупругому деформированию. Погашение целиков и ликвидация пустот. Правила безопасного ведения работ при системах разработки с открытым очистным пространством.

5.1. Общие замечания

В этой группе систем разработки поддержание очистного пространства осуществляется за счет естественной устойчивости обнажений массивов полезного ископаемого и вмещающих пород.

При этом к устойчивым породам обычно относят такие породы, площадь обнажения которых может достигать 600 м² без видимых нарушений, а к весьма устойчивым породам - до 1000 м² и более. Необходимо отметить, что этими критериями можно пользоваться лишь для весьма приближённых оценок, поскольку устойчивость обнажений пород, строго говоря, не характеризуется только площадью обнажений, но ещё сильно зависит от конфигурации обнажения.

Управление геомеханическими процессами в этих системах 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), при этом должны быть обеспечены:

· 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 вопросам разработки месторождений полезных ископаемых устойчивость элементов систем разработки можно определить как способность сохранения ими, во-первых, формы и, во-вторых, размеров, 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 (критические) размеры обнажений пород в выработках, при превышении которых выработки приходят в неустойчивое состояние и их эксплуатация становится небезопасной. Отсюда необходимо, чтобы параметры элементов систем разработки, в частности, обнажения пород, не превышали критических размеров для действующего в них уровня напряжений, либо необходимо упрочнять эти элементы, применяя различные 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.

При системах рассматриваемого класса «связка» взаимообусловленных элементов состоит из почвы очистной выработки -- целика -- кровли очистной выработки -- толщи вышележащих пород -- дневной поверхности.

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.

5.2. Определение размеров допустимых обнажений кровли очистных пространств

При разработке месторождений полезных ископаемых к устойчивости кровли очистных выработок предъявляются высокие требования; во-первых, с позиций обеспечения безопасности работ; во-вторых, с точки зрения полноты извлечения полезного ископаемого.

Кровля представляет собой породный массив, перекрывающий горную выработку и воспринимающий нагрузку от веса вышележащих пород. В этом смысле кровля выработок является наиболее ответственным грузонесущим элементом окружающего породного массива и её устойчивость обеспечивает нормальную эксплуатацию выработок.

При разработке месторождений полезных ископаемых кровля выработок лимитирующим элементом часто является, 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.

При этом под предельными параметрами обнажений пород будем понимать те предельные значения, когда разрушения пород кровли отсутствуют или ещё не представляют опасности для выполнения технологических операций.

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.

В зависимости от структурных особенностей массива области разрушения пород в кровле могут иметь различные характерные формы, а потому и устойчивые параметры обнажений пород в кровле могут определяться различными способами, в том числе на основе различных предположений - гипотез.

Расчётных методов определения устойчивых параметров обнажений пород в кровле камер было предложено довольно много, но их все можно сгруппировать в три группы в зависимости от гипотез, положенных в их основу:

1. расчётные методы на основе гипотез образования свода предельного равновесия (свода обрушения, свода давления и т.д.);

2. расчётные методы на основе гипотез деформирования пород подобно строительным конструкциям - балкам или балкам-стенкам;

3. расчётные методы на основе представлений о иерархично-блочном строении массива пород.

В частности, первая группа расчётных методов, по времени самая ранняя, разрабатывалась авторами применительно к сравнительно однородным монолитным или равномерно трещиноватым породам. Основное положение этой группы методов заключалось в том, что кровля камеры будет устойчивой, если в кровле образуется свод естественного равновесия.

Теоретические основы сводообразования в однородных горных породах впервые были разработаны профессором Рижского политехникума В. Риттером в 1879 году. Было установлено, что породы над выработкой отделяются как единое целое в форме свода, благодаря появляющимся и них растягивающим напряжениям, превосходящим предел прочности материала на разрыв.

Проф. М. М. Протодьяконов на основании анализа предыдущих работ по исследованию механизма сводообразования пород и большого объема собственных исследований разработал теорию сводообразования более детально.

М. М. Протодьяконов рассматривал горные породы как дискретную среду, обладающую не только трением, но и сцеплением (зацеплением), при определении сопротивления сдвигу рекомендовал пользоваться «кажущимся коэффициентом трения»:

f' =(fу + c)/у,

где у - нормальное напряжение; c - сцепление; f - коэффициент трения.

Рис. 2 Расчётная схема образования свода по М.М Протодьяконову.

Согласно расчетной схеме Протодьяконова (рис. 5.1) на левую часть свода действуют силы горизонтальной реакции правой части свода Т, равнодействующей вертикального давления рх и реакции нижней части свода W. Равновесие рассматриваемого участка свода МО относительно точки М, координаты которой равны х и y, обеспечивается при условии

рх²/2 = Т_y, (5.1)

что свидетельствует о параболической форме свода.

В конечном итоге М.М. Протодьяконов получает формулу для высоты свода в виде

b= a /f (5.2)

а уравнение кривой, ограничивающий свод

у = х²/(а f) (5.3).

Зная площадь параболического свода S = 4аb/3, можно определить вес породы на единицу длины выработки и, следовательно, давление на крепь:

Р = г S = 4/3 (гаb)

Подставляя значение b=а/ f, получаем

Р = (4/3 г а ²)/ f (5.4).

В формулах (5.2), (5.3) и (5.4) а - полупролёт выработки, а f - коэффициент крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова.

- для сыпучих и рыхлых пород f = tgц (ц - угол естественного откоса);

- для твёрдых горных пород f = tgс (с - угол внутреннего трения) или приближённо f = [у_сж]/100;

Из выражения (5.4) следует, что давление на крепь не зависит от глубины работ. Исследования же показывают, что до глубины Н = 10а давление на крепь возрастает, а затем снижается и остается постоянным. Поэтому при небольших глубинах расчеты по формулам М.М. Протодьяконова неприемлемы. Следует отметить, что в расчетах давлений на крепь никак не учитываются характеристики крепи и время взаимодействия системы «порода -- крепь».

Если же камеры остаются незакрепленными, то по теории М.М. Протодьяконова можно определить устойчивые пролеты камер с параболической формой свода. Высота свода, как свидетельствует формула (5.2), определяется прочностными параметрами пород и шириной камеры.

Для расчета пролетов камер, кровля которых представлена слоистыми породами, обычно пользуются методами строительной механики, используют теорию балок и плит. Эти методы относятся ко второй группе расчётных методов, и здесь наибольшую известность получили работы В. Д. Слесарева и его учеников.

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, главным образом, контактами по слоям. В силу этой же особенности в подходах В. Д. Слесарева учитывается, как правило, только один из возможных видов разрушения -- отрыв.

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

a b

L = ------------, (5.5)

v a² + b²

где a, b - размеры сторон обнажения, м.

При этом критерием устойчивости обнажения принимается неравенство:

L ? l_пр, (5.6)

где l_пр предельный пролёт выработки неограниченной длины, определяемый расчётным или опытным путём.

Работу кровли В.Д. Слесарев предлагает рассматривать в трёх состояниях, которые он назвал предельными (табл.5.1).

Таблица 5.1. Предельные состояния слоистой кровли

Предельное состояние кровли	Характеристика состояния кровли	Предельные пролёты балки
		Свободно опёртой	С защемлёнными концами
I	В кровле отсутствуют растягивающие напряжения	LI = 1.15 v[уp] h/г	LI = 1.41 v[уp] h/г
II	Породы кровли испытывают максимальные деформации (прогиб) без нарушения сплошности Появляются трещины и возможно частичное обрушение	LII = 1.41 v[уp] h/г LII' = 1.63 v[уp] h/г	LII = 1.73 v[уp] h/г LII' = 2.00 v[уp] h/г
III	Трещины распространяются на всю мощность кровли, и она обрушается	LIII = 2.00 v[уp] h/г	LIII = 2.44 v[уp] h/г

Величины L_I, L_II, L_II', L_III -- можно принимать как предельные пролеты кровли камеры, где [у_p] -- предел прочности горной породы на разрыв кПа; h - толщина балки, м; г - удельный вес породы, кг/м³.

Считается, что в случае слоистого строения пород пролет камеры будет надежно устойчивым, если слои непосредственной кровли испытывают только упругие деформации, т.е. ширина камеры не превышает величины L_I первого предельного пролета по В.Д. Слесареву. Несущая способность слоистой кровли частично сохраняется и в запредельном состоянии пород, когда посередине пролета камеры и у целиков появляются трещины разрыва -- ширина камеры соответствует второму предельному пролету L_II.

Недостатком рассмотренного подхода является схематизация процессов разрушения пород в кровле очистных выработок, не полностью отвечающая реальным условиям массивов пород, в частности, не учитывающая особенности разрушения массивов в зависимости от их блочности.

С этой точки зрения более перспективными являются подходы, основанные на учёте иерархично-блочного строения массивов пород (третья группа расчётных методов), при этом фактически и гипотезы сводообразования и гипотезы деформирования пород подобно строительным конструкциям можно рассматривать как некоторые частные случаи.

В реальных условиях разрушения в массивах горных пород происходят как при действии растягивающих напряжений, в форме отрыва, так и при действии сжимающих напряжений в форме сдвига или скола. И в том и в другом случаях разрушения происходят, первую очередь, по контактам структурных неоднородностей того или иного порядка.

В частности, учитывая весьма малые значения пределов прочности на растяжение по контактам структурных неоднородностей низких порядков, по которым обычно и происходят разрушения пород в очистных камерах, в расчётных методах пределы прочности на растяжение по ним можно полагать равными нулю. Тогда области разрушения отрывом в кровле камер можно отождествлять непосредственно с зонами действия растягивающих напряжений в массиве пород.

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.

На основании исследования закономерностей распределения полей напряжений и размеров зон растягивающих напряжений вокруг отверстий прямоугольной формы поперечного сечения с различным соотношением высоты и ширины, параметры свода для камер с отношением высоты (h) к пролету (l) от 10/1 до 1/10 приближенно можно устанавливать из условия

b 1 1

----- = ----- ----- (5.7),

l 4 5

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

Для учета второго 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 вглубь 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 5.2).

Рис 5.2. Схема действия сил на структурный блок в кровле и стенке выработки после реализации скола по поверхностям структурных неоднородностей - граням выделенных структурных блоков

Однако 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

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

2 f₀ P a b

где а и b -- поперечные размеры возможных вывалов или обрушений (в плане); Р--распор структурных блоков; f_o--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 (5.8), 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.5.2.

Таблица 5.2. Коэффициенты трения некоторых горных пород и руд

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. 5.2. 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 (5.8) известны (например, из натурных наблюдений за устойчивостью выработок) размеры отдельных вывалов.

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

На рис 5.3 приведена диаграмма устойчивых обнажений кровли очистных выработок в зависимости от напряжений бокового распора структурных блоков Р и коэффициента трения f_o по поверхностям структурных неоднородностей. Значение объемного веса ввиду его сравнительно малой изменчивости для массивов скальных пород принято постоянным ( =3,0 тс/м³).

Рис 5.3. Области устойчивых обнажении кровли выработок при различных значениях удельной силы трения

Из диаграммы следует, например, что если произведение Pf_o = l, то предельные размеры устойчивых обнажении aхb составляют всего лишь 2х1 м (точка А); 3х0,8 м (точка Б) и т. п. Если произведение Pf_o =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

------ -- ---- , (5.9)

2 f₀ P b

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

На рис. 5.4 представлена диаграмма для определения размеров возможных вывалов из стенок большепролетных выработок при различных значениях углов наклона , структурных неоднородностей, по которым происходит скольжение вывала.

Рис. 5.4. 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 5.5 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 отсутствуют, 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. 5.5. Диаграмма устойчивости обнажении пород по результатам визуальных обследований (рудник Ниттис-Кумужье, 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 также 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.

Всё вышесказанное можно резюмировать следующим образом:

Для месторождений с блочным строением пород, отработку которых предполагается осуществлять камерными системами, на стадии проектирования допустимый пролет обнажения может быть ориентировочно установлен на основе табл.5.3.

Таблица 5.3.Зависимость пролета обнажений от состава и строения пород

Породы кровли	Качественная характеристика устойчивости	Допустимый пролёт, l,м
Толстослоистые слабонарушенные песчаники, известняки, доломиты, сланцы осадочного и метаморфического происхождения. Слабонарушенные неслоистые метаморфические и изверженные породы Грубослоистые и толстослоистые средней нарушенности песчаники, известняки, доломиты, устойчивости сланцы осадочного и метаморфического происхождения. Не нарушенные трещинами мергели. Неслоистые метаморфические и изверженные породы средней нарушенности Среднеслоистые известняки, сланцы осадочного и метаморфического происхождения, средненарушенные трещинами. Слабонарушенные мергели и аргиллиты. Средненарушенные изверженные и неслоистые метаморфические породы Тонкослоистые и среднеслоистые известняки, сланцы осадочного и метаморфического происхождения, сильно нарушенные трещинами. Сильнонарушенные мергели и алевролиты. Сильнонарушенные изверженные и неслоистые метаморфические породы	Устойчивые Средней Устойчивости Слабоустойчивые Неустойчивые	>12 8-12 5-8 <5

Указанные в этой таблице параметры соответствуют условиям мелкошпуровой отбойки руды и длине камеры L_кам > 3l, где l - ширина камеры. Таблица составлена на основе статистических данных для глубин 200-350 м при горизонтальном залегании рудного тела.

Для камер, у которых длина сопоставима с шириной (ориентировочно L_кам ? l), на глубине 200-350 м размеры прямоугольных горизонтальных обнажений могут быть определены по графику (рис.5.6).

Рис. 5.6. Зависимость степени устойчивости кровли камер от их размеров

В других случаях должны использоваться формулы приведения к значениям конкретных глубин и углов падения. Так, при проектировании систем разработки для глубоких горизонтов (до 600-700 м) учет глубины горных работ производится в соответствии с зависимостью

l² Н = const, (5.10)

где l - предельно допустимый устойчивый пролет горизонтального обнажения (ширина камеры).

Зная l² Н для фактической глубины в условиях конкретного рудника или выбрав l в соответствии с табл.5.3 или рис.5.6, можно установить допустимый пролет для глубин до 600-700 м.

Влияние угла падения учитывается следующим образом:

при углах падения б ? 55° должно выполняться соотношение

l₁ cosб₁ = l₂ cosб₂ = const; (5.11)

при б > 55° соотношение

l₁ [(1,74 + 0,02(б₁-55⁰)] = l₂ [(1,74 + 0,02(б₂- 55°)], (5.12)

где l₁ и l₂ - предельно допустимые пролеты обнажения при углах падения соответственно б₁ и б₂.

Эти зависимости могут быть использованы для расчета пролета наклонного обнажения l_б при известной величине горизонтального обнажения l:

при б < 55°

l_б = l cos б; (5.13)

при a >55°

l_б = 0,02 l (32 + б). (5.14)

Для действующих рудников по фактическим размерам камер (наибольшему L_кам и наименьшему l), устойчивость кровли в которых была доказана производственным опытом, строят кривые, характеризующие параметр Z (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Номограмма для определения параметра Z (промежуточные значения находят интерполяцией)

Соответствующее значение параметра принимают в качестве показателя устойчивости для данного типа пород и условий эксплуатации. Для проектируемого рудника или участка задаются размеры камеры L_кам и, используя уже известный параметр Z, по номограмме определяют предельно допустимый пролет устойчивого обнажения l.

При отсутствии сведений о максимальных фактических параметрах обнажений пород (проектирование разработки нового месторождения, вскрытие новых участков, при существенном изменении горно-геологических факторов и условий эксплуатации) параметр Z в первом приближении можно определить по табл.5.4, исходные данные для которой могут быть определены на основании изучения керна скважин предварительной геологической разведки.

Таблица 5.4.Зависимость параметра Z от структуры и свойств пород

Средний размер структурных блоков, м	Вторичные изменения, %	Прочность пород в массиве при сжатии, МПа	Значение параметра Z
>1.0 0.5-1.0 0.25-0.5 0.1-0.25 Зона дробления, рассланцевания	0 <20 20-30 30-40 >40	>80 60-80 40-60 10-40 <10	?20 15-19 10-14 6-9 ?5

Параметр Z согласно табл. 5.4 выбирается с учетом фактора, оказывающего наибольшее ослабляющее действие.

При необходимости выполнения технологических операций с присутствием людей в камере ширину пролета l, установленную с использованием ориентировочных значений Z (табл.5.4 и рис.5.7), следует уменьшить в 2 раза.

Пример 2.1. Определить предельно допустимый пролет обнажения проектируемой камеры, сооружаемой на глубине Н= 500 м. Угол падения залежи (и кровли камеры) б = 30°. Кровля камеры представлена слабонарушенными толстослоистыми известняками. Длина камеры L_кам = 50 м. Отбойка руды мелкошпуровая. Коэффициент Пуассона м = 0,25.

Решение. Так как сведения о количественных характеристиках нарушенности трещинами и физико-механических свойствах горного массива отсутствуют, то возможно лишь ориентировочное решение на основе статистических данных (см. табл. 5.3).

По табл. 5.3 для пород данного типа l = 12 м. Табл. 5.3 оценивает параметры обнажения при L_кам > 3l, т.е. при l = 12 м это условие выполняется. Однако эта таблица составлена на основе статистических данных для глубины 200-350 м. При проектировании для глубин до 600-700 м следует пользоваться зависимостью (5.7), приняв в качестве Н среднее значение, при котором были получены данные табл.5.3, т.е.

Н = (200 + 350)/2 = 275 м.

Составив пропорцию 12² 275 = l² 500 = const, получим для горизонтального залегания

l = v(l2² 275/500) = 8,9 м.

Наклон поверхности обнажения можно учесть на основе формулы (5.13). Тогда

l_б =8,9/cos30° = 10,3 м.

Возможен другой метод решения. Так как длина камеры сопоставима с ее шириной, по рис.5.7 для устойчивых пород (см. табл.5.3) при длине камеры L_кам = 50 м получим l = 13 м, а с учетом глубины и угла падения соответственно

l = v( 13² 275/500) = 9,6 м; l_б = 9,6/cos30° = 11м.

Таким образом, ориентировочно, допустимый по устойчивости обнажения пролет при проектировании камеры в данных условиях 10-11 м.

Как любое расчетное значение, результат вычислений следует считать предварительным, требующим экспериментальной проверки.

Пример 2.2. Установить допустимую наклонную ширину камеры для следующих условий: породы имеют блочное строение; угол падения залежи б = 45°; длина камеры L_кам = 55 м. На основании опытных данных известно, что обнажения пород блочного строения по простиранию длиной 50 м (длина камеры) и 40 м по падению при угле наклона 30° было устойчивым.

Решение. Чтобы воспользоваться графиком (рис.5.7) необходимо пролет l_б = 40м для угла б = 30° привести к условию б = 0°. Из формулы (5.8) приведенный пролет

l' = l_б cos б = 40 cos30° = 34,6 м.

По номограмме (рис.5.7) для L_кам = 50 м и l' = 34,6 м (показано на рис. 5.7) получим Z = 20. При L_кам = 55 м найдем по номограмме рис.5.8 и Z = 20 пролёт l = 31 м для горизонтального падения. Пересчитываем для б = 45°. Тогда

l_б =l/cos45° = 31/0,71 = 43,8m.

Таким образом, допустимая наклонная ширина камеры для рассматриваемых условий составляет 43.8 м.

Пример 2.3. Найти допустимую ширину камеры для условий вновь вскрываемого участка месторождения с блочным строением пород. По данным предварительной разведки породы умеренно трещиноваты. Средний размер блоков не менее 0,5 м, вторичные изменения 15-20%, прочность пород при сжатии 70 МПа. Залегание рудного тела пологое. Отработку планируется осуществить камерно-столбовой системой разработки с длиной камер 70 м. Возможно пребывание людей в камере.

Решение. Сведения о максимальных фактических параметрах устойчивых обнажений отсутствуют. Поэтому воспользуемся табл.5.4. Заданным свойствам пород соответствует Z= 15-19. По графику (рис.5.7) длине камеры 70 м соответствует пролет l  = 19ч24 м, или если принять среднее значение параметра (Z= 17), то l  = 24 м. Так как предусмотрено пребывание в камере людей, то ширина камеры должна быть уменьшена вдвое, т.е. l  = 12 м.

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.

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. По своему местонахождению различают целики междукамерные, междублоковые, междуэтажные, панельные, барьерные и др.

Опорные целики фактически являются несущими конструкциями, они должны оставляться для поддержания от обрушения части или всего массива, подработанного очистными выработками.

Все многообразие пространственных схем расположения опорных 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. 5.8).

Рис. 5.8. Схемы поддержания очистных пространств с помощью ленточных (а) и столбчатых (б) целиков

Конфигурация горизонтальных 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.

Поперечные сечения столбчатых целиков может быть круговым, эллиптическим, квадратным, прямоугольным, неправильным.

По строению целики бывают однородные, слоистые, составные (состоящие из отдельных частей, ориентированных в направлениях, близких к нормальной оси целика) и сложные.

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.

При поддержании выработанного пространства целиками совместная работа элементов системы разработки «почва-целик-кровля» зависит от устойчивости (прочности), характера деформирования и разрушения каждого из указанных элементов.

В случае прочных целиков и слабых пород почвы и/или кровли по мере увеличения площади подработки целики могут вдавливаться (как жёсткие штампы) в окружающий массив пород, что сопровождается разрушением кровли камер и пучением почвы.

Если целики сложены недостаточно прочными и неоднородными породами (при наличии прослоев слабых пород, интенсивной трещиноватости и др. ослабляющих факторов), может наблюдаться постепенное деформирование целиков.

При взаимном соответствии упругих характеристик каждого из элементов системы «почва-целик-кровля» вся система может деформироваться совместно как единое целое. Обычно подобным условиям отвечают массивные целики, параметры которых превышают размеры среднего структурного блока, обусловленного естественной трещиноватостью, в 5-10 раз.

Устойчивость любых целиков во многом зависит от наличия слабых прослоев на контактах целиков с вмещающими породами, так как возникающие вдоль этих прослоев напряжения способствуют нарушению сцепления пород по контакту и более быстрому разрушению целиков. Особенно это характерно для случаев разработки наклонных залежей.

Существуют два основных режима нагружения и деформирования целиков:

1. режим заданной нагрузки от веса налегающей толщи пород;

2. режим совместного деформирования целиков и вмещающих пород.

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

5.4. Напряжённое состояние и несущая способность целиков в условиях режима заданной нагрузки

При режиме заданной нагрузки основу составляет предположение о восприятии целиками постоянной нагрузки в течение всего периода существования целиков, обусловленной весом толщи налегающих пород в пределах площади выработанного пространства:

n

Р = S H _ср = S _i h_i, (5.15)

i=1

где _i -- объемные веса слоев пород над целиками; h_i, -- мощности слоев пород; S -- площадь выработанного пространства; Н -- глубина разработки от земной поверхности.

При расчётах параметров целиков часто оперируют понятием несущая способность целика, т.е. величиной действующей на целик нагрузки, под влиянием которой в нём возникает состояние предельного равновесия.

Несущая способность целика зависит не только от действующих на него усилий, характера распределения напряжений, прочностных свойств материала, но также от формы и размеров целика. При этом необходимо учитывать, что периферийные (краевые) части целика могут быть нарушены трещинами в результате буровзрывных работ, а также быть ослабленными вследствие изменения свойств пород под воздействием процессов выветривания. Несущая способность целиков может снижаться с течением времени, а также в результате дополнительного проведения в них выработок.

При работе целиков в режиме заданной нагрузки для определения устойчивых параметров целиков может быть использовано прочностное условие вида:

Р = R_ц, (5.16)

где Р - величина нагрузки, действующей на целик; R_ц - несущая способность целика.

Для инженерных расчётов соотношение (5.16) можно представлять в виде:

К_н К_б с g H S_гр [у_сж^ср] К_с К_вр К_осл

-------------------- = ------------------------- К_ф, (5.17)

S_ц К_зап

где К_н - коэффициент нагрузки, учитывающий долю веса пород налегающей толщи, воспринимаемую рассматриваемым целиком; К_б - коэффициент, учитывающий влияние угла падения; S_гр - грузовая площадь, приходящаяся на целик; S_ц - площадь целика; [у_сж^ср] - усредненная прочность пород, слагающих целик; К_с - коэффициент структурного ослабления; К_вр - коэффициент, учитывающий влияние времени; К_ф - коэффициент формы; К_осл - коэффициент ослабления целика вследствие проведения в нём выработок; К_зап - коэффициент запаса прочности целика.

Левая часть формулы (5.17) характеризует нагрузку на целик, правая -- реакцию целика, т. е. силы сопротивления разрушению.

Рассмотрим все входящие параметры и методы их определения детально.

Коэффициент нагрузки на целик - К_н.

Доля веса пород налегающей толщи, воспринимаемая целиками при отработке, в частности, пологозалегающих рудных тел камерно-столбовой системой, учитывается коэффициентом нагрузки К_н, значение которого зависит от соотношения ширины отрабатываемого участка рудного тела L и глубины разработки Н следующим образом: