Управление геомеханическими процессами при системах с естественным поддержанием выработанного пространства

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 К_н, равный

К_н = N /(HS). (5.52)

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 К_н = 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 К_н 1, а у менее жестких (более податливых) К_н 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. 5.16, 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).

Рис. 5.16. 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.

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 = К_поп, (5.53)

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 потере сплошности массива пород, т.е. 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.

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 (А -- ширина камеры; а--ширина целика) и расчетным давлением на них для условий бассейна Южный Гарц (рис. 5.17а).

Рис 5.17. 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. 5.17 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.

5.8 Погашение целиков и ликвидация пустот

В период эксплуатации месторождений системами с открытым очистным пространством остаются многочисленные пустоты, внезапное обрушение которых может быть причиной воздушных к динамических ударов. Вследствие того, что внезапные самообрушения пород представляют большую опасность для работающих, правилами безопасности требуется своевременная ликвидация образовавшихся пустот. С этой целью отработанные камеры заполняются закладочным материалом или породами. Если такие работы нецелесообразны, то взрывают целики и обрушают окружающий камеры массив.

На некоторых рудниках бывает возможным локализовать образующиеся пустоты от ранее отработанных участков путем устройства перемычек или создания предохранительных пород «подушек», предотвращающих или снижающих вредное воздействие на рабочие выработки выталкиваемого из пустот воздуха.

Образующиеся после отработки месторождения системами с открытым очистным пространством пустоты представляют собой объемы сравнительно правильной формы, если целики и кровля камер сохраняют устойчивость. В этом случае выемка целиков может осуществляться более полно и безопасно. Для этого составляются специальные проекты по организации и производству работ. Обычно, при малоценной руде целики разбуривают скважинами и взрывают. При отработке слабых (трещиноватых) руд погашение целиков может производиться вслед за выемкой ряда камер с некоторым отставанием. Для обеспечения плавной посадки земной поверхности размеры целиков выбирают такими, чтобы в них по мере нагружения развивались пластические деформации, завершающиеся плавным (постепенным) разрушением без динамических проявлений.

На железных рудниках Урала широкое применение получило массовое взрывание целиков после отработки камерами горизонтальных, наклонных и крутопадающих месторождении различной мощности в крепких устойчивых породах. Для массовой ликвидации целиков камеры вынимают на площади, превышающей несколько тысяч квадратных метров, а объем пустот составляет сотни тысяч кубометров. Параметры подработки выбирают на основании конкретных горно-геологических условий такими, чтобы после одновременного взрывания целиков на подработанном участке произошло обрушение пород до поверхности. Поэтому для надежности обрушения площадь отработки должна превосходить предельную. В условиях уральских железорудный месторождений она составляет 5-10 тыс. м² и более.

Неликвидированные по каким-либо причинам пустоты должны быть надежно изолированы от действующих горных выработок. С этой целью в соединяющихся с пустотами выработках сооружают перемычки, а над выработками, расположенными в основании камер, оставляют породные (или рудные) предохранительные «подушки». Перемычки бывают бетонные, железобетонные, каменные, деревянные или комбинированные. Наиболее простой и дешевый способ возведения перемычек -- завал соединяющихся с пустотами выработок путем их взрывания, обычно, на высоту, превышающую вдвое высоту выработки.

Для устройства предохранительных породных (рудных) «подушек» в отработанных камерах оставляют часть отбитой руды или специально с этой целью производят подрывку пород кровли и боков. Толщина таких «подушек» определяется на основании требований погашения скорости выталкиваемого из камеры воздуха при внезапном самообрушении пород. Безопасными считаются скорость воздуха не более 15 м/с, а давление - 0,19 МПа. Скорость выходящего из камеры воздушного потока зависит от площади сечения камеры, высоты падения пород, толщины и свойств материала перемычки или предохранительной «подушки».

В случае высокоценных руд целики, как правило, вынимают после закладки отработанных смежных камер. При этом выбирают такие способы их выемки, которые удовлетворяют требованиям более полного извлечения руды. В этом случае могут применяться системы с закладкой, магазинированием, креплением, слоевым или подэтажным обрушением. Наиболее эффективно можно отработать те целики, которые сохраняют свою устойчивость, мало деформированы и имеют достаточные размеры, обеспечивающие сохранность пройденных в них выработок.

Более сложно отрабатывать одиночные столбчатые целики из-за опасности вывалов кровли и возможного их разрушения в процессе выемки. В этом случае для обеспечения безопасности работ до начала выемки рядом с извлекаемым целиком обычно возводятся искусственные (бетонные) опоры, прочно подпирающие кровлю и обеспечивающие на период выемки её устойчивость. Кроме того, предполагая выемку таких целиков, необходимо заранее, в процессе выемки камер, надежно укрепить кровлю анкерами или химическими составами.

5.9. Правила безопасного ведения работ при системах разработки с открытым очистным пространством

Одним из важнейших условий безопасности работ при эксплуатации месторождений различными вариантами системы разработки с открытым очистным пространством является правильный выбор размеров, формы целиков (междукамерных, междуэтажных, внутризабойных, панельных и др.) и пролетов камер, которые должны рассчитываться по существующим нормам и правилам таким образом, чтобы исключалась опасность их разрушения в течение всего срока службы.

Если в процессе отработки камер обнаруживаются нарушения пород в кровле и целиках, угрожающие проведению работ, то очистная выемка должна быть прекращена до окончания мероприятий по укреплению целиков и обезопашиванию кровли.

Правилами безопасности требуется в начале каждой смены и в процессе очистных работ проверять состояние кровли и стенок рабочего забоя. В случае опасности необходимо ликвидировать отслоения, установить крепь (штанги, распорки). Очень важно, чтобы в процессе простукивания забоев и ликвидации заколов в камере не проводилось никаких других работ. При появлении признаков самообрушения пород кровли очистные работы в камере должны быть прекращены, а люди удалены в безопасное место. Выработки, прилегающие к камере, опасной в отношении самообрушения кровли, должны быть перекрыты для доступа людей. Возобновляют работы в таких камерах только по разрешению главного инженера шахты.

При камерных системах разработки оси целиков и камер в блоках на всех горизонтах должны располагаться в одной вертикальной плоскости. При невозможности соблюдения соосности целиков и камер по восстанию между этажами должен оставляться ленточный целик такой толщины, чтобы не было опасных концентрации напряжений и деформации в потолочинах камер.

Запрещается заходить в отработанные очистные камеры. Подходные выработки к этим камерам должны быть перекрыты. В исключительных случаях допускается вход в отработанные камеры для производства специальных работ. Порядок допуска в этих случаях и меры безопасности устанавливаются главным инженером шахты.

Если целики в дальнейшем предстоит отрабатывать, то необходимо составлять специальные проекты производства работ по их извлечению. При выемке междукамерных, надштрековых и потолочных целиков должны соблюдаться следующие условия:

а) перед обрушением потолочных и междукамерных целиков крепь откаточных выработок горизонта должна быть проверена и в случае ее ненадежности произведено надлежащее крепление;

б) запрещается вынимать междукамерные целики системами, требующими проведения горных выработок при незаложенных или незаполненных рудой (породой) смежных камерах;

в) запрещается для подготовки целика к выемке или для выемки смежных с ним камер проходить в целиках выработки, нарушающие их устойчивость и не предусмотренные проектом;

г) потолочины, днища и междукамерные целики при незаполненной камере должны выниматься одним из способов массового обрушения;

д) все подготовительные работы по обрушению потолочины и междукамерных целиков должны производиться до окончания выемки камеры; запрещается производить какие-либо работы и находиться людям в выработках потолочины незаложенной камеры, за исключением работ по заряжанию минных камер и скважин;

е) при обрушении потолочины над отработанной и выгруженной камерой глубокими скважинами бурение их должно проводиться из безопасных в отношении обрушения выработок, находящихся за контуром потолочины;

ж) при выемке надштрекового целика бурение шпуров в целике, а также выпуск руды должны производиться только из-под крепи штрека или орта; при сплошной крепи допускается удаление отдельных рам крепи, а при креплении вразбежку - частичное удаление затяжки;

з) вынимать целики системами, требующими проведения горных выработок над горизонтами грохочения, допускается только после закладки или обрушения выработанной камеры;

и) запрещается оставлять целики на высоту более чем на один этаж при незаложенных и более чем на два этажа при заложенных камерах;

к) при массовом обрушении целиков должны быть приняты меры, исключающие опасные последствия воздушного удара. Во всех случаях не позже чем за двое суток до взрывания необходимо поставить об этом в известность ВГСЧ и органы Госгортехнадзора;

л) при задержке посадки породы при обрушении целиков или при неполном обрушении их запрещается на данном участке проведение других работ до ликвидации зависания или полной посадки.