8

Тема 4. Особенности напряжённо-деформированного состояния массива пород вокруг очистных выработок. 2 часа.

Характерные типы проявлений горного давления в очистных выработках. Напряжённо-деформированное состояние массива пород вокруг очистной выработки. Зоны опорного давления и разгрузки. Взаимное влияние очистных выработок при разработке обособленных и сближенных пластов и рудных тел. Основные принципы выбора способа управления горным давлением при ведении очистных работ. Классификация применяемых систем разработки месторождений твёрдых полезных ископаемых.

4.1. Характерные типы проявлений горного давления в очистных выработках

Выработки, образуемые в результате непосредственной выемки полезного ископаемого при его разработке, называют очистными.

Основные задачи управления горным давлением в очистных выработках, также как в капитальных и подготовительных, заключаются в обеспечении устойчивого состояния выработок (или призабойного пространства) в течение необходимого времени их эксплуатации и в выборе наиболее экономичного, но, вместе с тем, полностью обеспечивающего безопасность работающих людей, способа крепления и поддержания выработанного пространства.

Однако по сравнению с подготовительными и капитальными выработками очистные выработки обладают некоторыми особенностями. Важнейшими из них являются:

значительно большие размеры поперечных сечений и их изометричность;

непрерывное движение забоя, обусловливающее постоянное изменение поля статических напряжений вокруг выработки, а также большую интенсивность воздействия технологических процессов (взрывных работ);

существенно меньшее время эксплуатации.

Эти особенности очистных выработок определяют, в свою очередь, и специфические проявления горного давления в них.

В частности, значительные размеры сечений очистных выработок определяют увеличение зоны неупругих деформаций вокруг них по сравнению с капитальными и подготовительными выработками, в процесс деформирования пород вблизи очистных выработок вовлекается большее количество структурных неоднородностей низких порядков (крупноблоковой трещиноватости, геологических нарушений и пр.). Вследствие этого достаточно часто реализуются такие виды деформирования массива, как пластическое течение, вязкое деформирование и обрушение.

При некоторых сочетаниях уровня действующих напряжений и свойств пород в очистных выработках возможны и упругие деформации кровли с сохранением ее устойчивости, либо с внезапным разрушением в форме динамических проявлений горного давления.

Специфика задач управления горным давлением в очистных выработках связана со сравнительно небольшим, как правило, сроком их эксплуатации и непрерывным подвиганием забоя. Вследствие этого в очистных выработках, в отличие от капитальных и подготовительных, поддерживают обычно не всю отработанную площадь, а лишь некоторую рабочую зону - часть её в непосредственной близости от забоя, ограниченно применяя мощные жесткие виды крепи. Относительно же легкие деревянные или металлические податливые крепи, пневмобаллонные крепи, штанговая крепь и передвижные механизированные крепежно-добычные комплексы, перемещаемые по мере подвигания забоя, находят весьма широкое применение (фото передвижной механизированной крепи).

Для управления горным давлением в очистных выработках часто используют закладку из пустой породы, которая поддерживает кровлю очистных пространств и уменьшает амплитуду смещения покрывающих пород. Аналогичную роль играет отбитая горная масса, магазинируемая в блоках при разработке крутопадающих рудных залежей. Оказывая противодавление на стенки очистных камер, замагазинированная руда и порода существенно изменяют условия деформирования массива пород в приконтурной области вокруг очистных пространств.

В качестве мероприятий по управлению горным давлением в очистных выработках широко применяют полное обрушение пород над всем очистным пространством, за исключением призабойной части. При этом преследуют двоякую цель.

Во-первых, вызывают искусственную разгрузку массива, в результате чего призабойная область освобождается от высоких статических напряжений (опорного давления). Во-вторых, вследствие заполнения выработанного пространства устраняется опасность динамических нагрузок в окружающем массиве и воздушных ударов. Это создает возможность безопасного ведения горных работ в непосредственной близости от очистных выработок.

Формы и характер проявлений горного давления в очистных выработках весьма разнообразны (от небольших перемещений и деформаций горных пород и полезного ископаемого до их разрушения и обрушения, от незначительных нагрузок на крепь до полного вывода ее из строя) и зависят от многих факторов, в том числе от глубины разработки, структуры и механических свойств массива горных пород, мощности и угла падения полезного ископаемого. Большое влияние на проявления горного давления оказывают производственно-технические условия эксплуатации месторождений, характеризующиеся формой, размерами и расположением выработок, технологией ведения добычных работ, способом управления горным давлением, скоростью подвигания забоев, видом крепи и т. д.

Вместе с тем со склонностью пород к тому или иному виду деформирования связаны выбор систем разработки месторождения и установление оптимальных параметров этих систем.

В капитальных и подготовительных выработках были выделены три характерных типа проявлений горного давления, физический смысл которых заключается в преимущественно упругом, пластическом или вязком деформировании пород вокруг выработок. Аналогичные типы проявлений горного давления могут быть выделены и при рассмотрении очистных выработок. Однако количественные характеристики выделенных типов и формы проявлений горного давления в очистных выработках существенно отличаются от таковых в подготовительных выработках.

Общая картина процессов, происходящих в массиве пород вокруг очистной выработки, заключается в изменении поля статических напряжений и, как следствие этого, в деформировании окружающих пород. В первую очередь на контуре выработанного пространства и в окружающем массиве пород происходят упругие смещения. В некоторых, достаточно немногочисленных случаях, указанными упругими смещениями процессы деформирования массива пород и исчерпываются. Однако это может иметь место лишь при очень прочных породах и высокой степени монолитности массива, в частности, при разработке некоторых рудных месторождений системами с открытым очистным пространством, например, камерными и камерно-столбовыми системами.

Гораздо чаще в выработанном пространстве вслед за упругими смещениями пород кровли и стенок развиваются неупругие деформации и происходят локальные разрушения. Этому способствует развитие в окружающем массиве зон концентрации как сжимающих, так и растягивающих напряжений. В процессы деформирования вовлекаются большие объемы пород, а вследствие этого - неоднородности низких порядков, по поверхностям которых массив наиболее ослаблен. В результате этого в очистных выработках развиваются процессы обрушения покрывающих пород.

4.2. Напряжённо-деформированное состояние вокруг очистной выработки. Зоны опорного давления и разгрузки

По мере извлечения полезного ископаемого и перемещения забоя поле напряжений вокруг очистной выработки изменяется. Область массива, в пределах которой происходят эти изменения, называют зоной влияния очистной выработки. В отличие от подготовительных выработок зоны влияния вокруг очистных пространств охватывают значительно большие области массива. Нередко процессы захватывают всю толщу вышележащих пород вплоть до дневной поверхности. Значительные области массива вовлекаются в процессы деформирования также и со стороны почвы очистной выработки.

По степени и характеру процессов деформирования и перемещения пород в пределах области влияния очистной выработки в массиве могут быть выделены несколько различных зон: зона обрушений, зона трещин, зона плавного прогиба, зона сдвижений.

С точки зрения напряженного состояния в массиве пород вокруг очистной выработки выделяют две характерные зоны: зону разгрузки и зону опорного давления (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема деформирования пород вокруг очистной выработки при крутом падении пласта.

1 - зона опорного давления; 2 - пласт угля; 3 - зона разгрузки; 4 - эпюры напряжений; 5 - граница области влияния выработки.

Зона разгрузки характеризуется тем, что в ее пределах породы испытывают меньшие напряжения, чем существовавшие до проведения очистной выработки. Область, где напряжения превышают уровень первоначального поля напряжений, носит название зоны опорного давления и по существу представляет собой зону концентрации напряжений вокруг очистной выработки.

Необходимо отметить, что поскольку границы очистной выработки все время перемещаются в пространстве, выделенные зоны также находятся в непрерывном движении, так что породы массива, претерпевая изменения состояния, постепенно переходят из одной зоны в другую.

В частности, на угольных месторождениях под влиянием высоких напряжений в краевой части пласта, уголь, непосредственно примыкающий к забою, разрушается, его несущая способность снижается, и максимум опорного давления перемещается вглубь массива. В результате размеры зоны разгрузки увеличиваются, а границы зоны опорного давления отодвигаются от кромки забоя. Разрушенный уголь интенсивно отжимается в выработку, что широко используют в практике для снижения усилий на его отбойку.

Подобные же явления отмечаются и на некоторых рудных месторождениях.

Ввиду непрерывного подвигания забоя очистной выработки в практике горного дела принято выделять временное или эксплуатационное опорное давление, возникающее вблизи перемещающихся границ очистного пространства. В противоположность этому, зону концентрации напряжений возле неподвижной границы очистной выработки называют зоной остаточного или стационарного давления.

Параметры зоны опорного давления определяются многими факторами. В первую очередь, к ним следует отнести параметры начального поля напряжений, размеры и конфигурацию очистных пространств, деформационно-прочностные свойства массива вмещающих пород, а также способ воздействия на угольный пласт или рудное тело. На рис. 4.2 представлены зависимости ширины зоны опорного давления от глубины заложения очистной выработки и от мощности пласта в условиях угольных месторождений.

Рис 4.2. Зависимости ширины l зоны опорного давления от глубины заложения очистных выработок H и от мощности пласта m.

Вследствие сложности определения напряженно-деформированного состояния пород вокруг очистных выработок до широкого распространения методов математического моделирования, расчет параметров зоны опорного давления выполняли без вычисления компонент полей статических напряжений в массиве, окружающем выработанные пространства. Такой подход основан на следующих положениях:

Если на контуре выработки породы претерпевают значительные пластические деформации или разрушаются, то результирующая эпюра опорного давления имеет вид не плавной кривой, а содержит точку перегиба и состоит из двух ветвей, возрастающей и ниспадающей (рис. 4.3).

Рис. 4.3 Эпюра напряжений в зоне опорного давления при разрушении пород на контуре очистной выработки.

2. Параметры зоны опорного давления могут быть определены на основе аппроксимации обеих ветвей эпюры некоторыми функциями, конкретный вид которых зависит от принятых допущений.

Однако наиболее надежными являются результаты натурных определений и измерений параметров зон опорного давления, а не расчетные параметры. В частности, многочисленными инструментальными наблюдениями установлено, что пик напряжений в зоне опорного давления располагается обычно на расстоянии от забоя, равном 2 - 5 мощностям пласта и равен чаще всего (2-3) H.

Для рудных месторождений закономерности образования зон опорного давления и распространения их вглубь массива от кровли и почвы очистных выработок изучены в меньшей степени, имеются данные лишь для отдельных конкретных месторождений.

В частности, по результатам непосредственных измерений напряжений в массиве пород вокруг камер на Высокогорском железорудном месторождении Урала установлено, что максимальное значение опорного давления при ширине камер 15--60 м составляет (3 - 11) H. Этот максимум расположен на расстоянии 2 - 6 м от границы выработанного пространства.

В условиях мощных крутопадающих пластообразных залежей, как, например, на рудниках им. Дзержинского и им. Кирова в Криворожском железорудном бассейне, при разработке системами с обрушением зона стационарного опорного давления со стороны висячего бока распространяется ниже горизонта очистных работ на 130 - 140 м по вертикали. Коэффициент концентрации К напряжений составляет в среднем 1.4 (рис 4.4).

Со стороны лежащего бока зона опорного давления начинается ниже горизонта очистных работ на 30 м и протягивается на глубину до 180 м. Область максимальной концентрации напряжений располагается на глубине 110--120 м, при этом коэффициент концентрации К в среднем равен также 1,4.

Рис 4.4. Распределение напряжений в зоне влияния очистной выемки мощных пластообразных рудных залежей

а - схемы и размеры зон различного напряженного состояния, б, в - изменение коэффициента концентрации напряжений в зависимости от расстояния до горизонта очистных работ у висячего и лежачего боков залежи.

1 - рудное тело; 2 - зона обрушения, 3 - зона опорного давления, 4 - зона разгрузки, 5 - зона сдвижения, 6 - зона разрушенной руды.

В условиях апатитовых месторождений Хибин, разрабатываемых системой с массовым принудительным обрушением, ширина зоны опорного давления при высоте горизонта 70 м составляет 40--70 м.

4.3. Взаимное влияние очистных выработок при разработке обособленных и сближенных пластов и рудных тел

В реальных условиях случаи, когда пласт или рудное тело отрабатывают одним забоем, а породы окружающего массива испытывают влияние лишь одной очистной выработки, встречаются редко. Гораздо чаще очистные работы ведут в непосредственной близости от ранее выработанных пространств, одновременно по нескольким пластам или жилам, или же на нескольких соседних участках одного и того же пласта (рудного тела).

В этих случаях окружающие породы подвергаются одновременному воздействию нескольких очистных выработок, поле статических напряжений в массиве пород вокруг очистных пространств формируется в результате наложения областей влияния каждой выработки и может иметь весьма сложную структуру. Вследствие этого количественно охарактеризовать взаимное влияние очистных выработок в настоящее время весьма сложно, поэтому ограничимся рассмотрением лишь качественной стороны вопроса.

Рассмотрим два наиболее характерных случая взаимного расположения очистных выработок:

очистные выработки располагаются в одной горизонтальной плоскости;

взаимовлияющие выработанные пространства находятся на различной глубине от поверхности.

В первом случае в результате взаимного влияния выработанных пространств в областях массива, примыкающих к границам очистных выработок, происходит наложение зон опорного давления, и породы испытывают повышенные нагрузки. Подобная ситуация, например, имеет место, когда осуществляют отработку рудного тела или пласта без оставления целиков и фронт отработки непосредственно соприкасается в плане с ранее выработанным пространством или обрушенными породами (рис. 4.5б).

Рис. 4.5. Взаимное наложение зон опорного давления при различных схемах развития очистных работ

а - при отработке ранее оставленных целиков; б - при ведении работ без оставления целиков между вновь образуемым и ранее образованным очистным пространством; в - при ступенчатой форме лавы. Стрелками показано направление движения забоев.

1 - область вне пределов зоны опорного давления; 2 - зона опорного давления протяженностью l; 3 - участки взаимного наложения зон опорного давления; 4 - отработанное пространство.

Наложение зон опорного давления может происходить при отработке ранее оставленных целиков, а также при ступенчатой конфигурации фронта очистных забоев (рис. 4.5 а, в). В соответствии с этим для облегчения условий добычи полезного ископаемого необходимо по возможности стремиться к прямолинейной форме фронта очистных работ и равномерному перемещению в пространстве всех забоев, без образования выступов неотработанных частей пласта или рудного тела в выработанном пространстве.

Однако реальная опасность и практические затруднения в вопросах охраны и поддержания выработок, попадающих в зону опорного давления, возникают лишь в случае, когда значения действующих напряжений приближаются к пределам прочности пород.

Во втором случае (когда разрабатывают свиту пластов или жил) величины деформаций пород обусловливаются, прежде всего, порядком и очередностью отработки отдельных пластов (жил) в свите, их мощностью, условиями залегания и способом управления горным давлением.

Различают пласты независимые и сближенные. Пласты в свите считают независимыми, если разработка их возможна в любом порядке и очередности. Под сближенными понимают обычно такие пласты, одновременная разработка которых затруднена или невозможна или когда разработка одного из них осложняет дальнейшую разработку другого.

При отработке нижнего пласта (или жилы) раньше, чем верхнего (т. е. при подработке) происходит смещение пород междупластья, вследствие чего над нижним пластом возникает, как правило, зона беспорядочного обрушения, переходящая постепенно в зону прогиба пород с образованием трещин, выше которой появляется зона плавных прогибов. Если подрабатываемый пласт попадает в одну из первых двух зон, то он может оказаться разрушенным или сильно разбитым трещинами, и разработка его становится затруднительной.

В процессе подработки верхний пласт последовательно проходит через следующие стадии деформирования:

а) нагрузка и уплотнение в зоне опорного давления, возникающей впереди очистного забоя нижнего пласта;

б) разгрузка, опускание и разломы над породами, нависающими над выработанным пространством нижнего подрабатывающего пласта;

в) повторная нагрузка и уплотнение в зоне опорного давления, возникающей позади нависающих пород (т. е. в той части выработанного пространства, где эти породы получают опору);

г) частичное восстановление первоначальных напряжений в зоне полных сдвижений.

При отработке верхнего пласта раньше нижнего (т.е. при надработке) нижележащий пласт подвергается сложному процессу нагружения и разгрузки на площади, превышающей размеры отрабатываемой площади верхнего пласта. Надработка вызывает уплотнение пород вокруг надрабатываемого пласта в зонах опорного давления и разрыхление их в зонах разгрузки.

Таким образом, при расположении очистных выработок на разной глубине состояние пород в областях массива, испытывающих влияние обеих выработок, может характеризоваться как ростом действующих напряжений (при наложении зон опорного давления), так и их снижением (при расположении одной из выработок в зоне разгрузки другой выработки). Необходимо подчеркнуть при этом, что взаимное влияние даже одинаковых по размерам очистных выработок неравноценно, верхняя выработка оказывает на нижележащую, как правило, гораздо меньшее влияние, чем нижняя - на вышерасположенную. В соответствии с этим горные работы стараются чаще вести в условиях надработки пластов или жил (т.е. в направлении сверху вниз) и реже в условиях подработки.

Учитывая, что проведение очистных работ в условиях взаимного влияния забоев сближенных пластов (жил) определяется большим числом нередко противодействующих факторов, окончательный вывод об оптимальном расположении забоев очистных выработок в пространстве может быть сделан лишь с учетом конкретной горно-геологической обстановки.

Так в общем случае, если не предвидится каких-либо специфических опасных явлений, нерационально располагать вновь проводимые выработки в зоне разгрузки ранее пройденных выработок. Именно в этом случае в выработках наблюдаются наиболее массовые и интенсивные проявления горного давления (заколообразование, вывалы, обрушения, поддувание почвы и др.), затрудняющие поддержание выработок и их эксплуатацию.

По-видимому, наилучшие условия для устойчивости выработок могут быть обеспечены при организации очистных работ таким образом, чтобы все последующие выработки располагались в той части зоны опорного давления, где напряжения, хотя и несколько превышают уровень статических напряжений в нетронутом массиве, но по отношению к прочностным характеристикам пород не являются чрезмерно высокими. Это достигают соответствующим уступным расположением фронта очистных забоев по высоте рудного тела снизу вверх.

Рассмотренные случаи взаимного расположения очистных выработок являются простейшими и, естественно, не исчерпывают всего многообразия конкретных ситуаций, которые могут иметь место в тех или иных условиях.

4.4. Основные принципы выбора способа управления горным давлением при ведении очистных работ

Особое внимание при выборе способа управления горным давлением в очистных выработках уделяют поведению пород кровли. При слоистом строении массива пород выделяют понятия непосредственной кровли (обрушающейся сразу за образованием очередного участка обнажения пород в пределах призабойного пространства) и основной кровли. При этом оценивают способность пород кровли к обрушению, высоту зоны обрушения, размеры и длительность сохранения устойчивых обнажений (особенно непосредственной кровли в пределах призабойного пространства), свойства пород почвы (прочность, способность к пучению, сопротивляемость вдавливанию в нее стоек крепи и др.), применяемые системы разработки и виды крепи, скорость подвигания очистных забоев, количество и степень выбросоопасности разрабатываемых пластов, расстояние между ними, сроки и порядок их отработки, наличие на земной поверхности объектов, подлежащих защите от влияния горных работ, оснащенность забоев машинами и механизмами, их габаритные размеры и т. д.

Степень значимости каждого из перечисленных факторов часто зависит от конкретных условий: второстепенные факторы в одних условиях могут оказаться определяющими, и, наоборот, определяющие факторы в других условиях могут оказаться второстепенными. Так, при отработке запасов полезного ископаемого под ответственными сооружениями, плотно застроенными территориями, крупными водными объектами нередко приходится применять системы разработки с закладкой выработанного пространства, тогда как по прочим факторам было бы вполне возможно применить в этих условиях другие, более производительные и экономичные системы разработки и способы управления горным давлением. При отработке защитных пластов в условиях возможности геодинамических проявлений горного давления, наоборот, предпочтительнее полное обрушение кровли, так как при этом способе управления горным давлением достигается наибольшая разгрузка пластов, опасных по выбросам угля и газа.

Вместе с тем имеются факторы, которые являются основными при выборе способа управления горным давлением в большинстве встречающихся на практике случаев.

К этим факторам следует отнести, прежде всего, способность пород кровли к обрушению, которая положена в основу ряда классификаций. Одной из первых, не потерявших своего значения до настоящего времени, является классификация ВУГИ (табл. 4.1), предназначенная для выбора способа управления горным давлением в условиях разработки пологих пластов в основных угольных бассейнах нашей страны и стран ближнего зарубежья.

Существуют также и другие классификации пород, в основе которых лежат подобные же признаки, но число выделяемых классов другое.

Несмотря на условность приведенной классификации (в ней не учтены коэффициенты разрыхления пород, применяемые виды крепи и некоторые другие влияющие факторы), она и подобные ей классификации играют важную роль в упорядочении выбора оптимальных способов управления горным давлением.

Таблица 4.1. Классификация пород для выбора способа управления горным давлением

Наибольшее распространение при разработке угольных и ряда рудных месторождений получил способ управления горным давлением, носящий название полное обрушение кровли.

Применение этого способа позволяет перенести обрушение пород за пределы призабойного пространства. Осуществляют его периодическими обрушениями (посадками) кровли путем выбивки или передвижения крепи, установленной на определенном расстоянии от забоя. Для регулирования обрушения основной кровли применяют специальную крепь, выдерживающую большую нагрузку, чем обычная призабойная крепь. В качестве специальной крепи используют органные стенки, металлические костры, кусты из деревянных или металлических стоек, посадочные элементы механизированных крепей и т. д.

Для обеспечения безопасности работы непосредственно в призабойной зоне применяют лёгкие виды крепи - деревянные или металлические стойки, штанговую крепь и др.

Для того чтобы уменьшить расход деревянной крепи используют специальную сетку для крепления пород кровли (рис.4.6).

Рис. 4.6. Полимерная сетка в транспортном положении перед спуском в шахту (шахта «Котинская» ОАО «СУЭК-Кузбасс»)

Сетка пластичная, не имеет острых травмоопасных кромок, прочная и легкая в применении. Способ закладки кровли полностью механизирован. Для того чтобы избежать геологических осложнений, обезопасить и ускорить процесс извлечения секций крепи применяют систему укрепления кровли - сетку с уникальными свойствами HUESKER (сетка тканная, на текстильной основе, покрытая полимерным негорючим составом с усилием на разрыв 700 кН).

В Австралии установлено таких систем около 400. Первые сетки в России появились на шахте «Распадская», затем на предприятиях ОАО «СУЭК-Кузбасс» и ОАО ХК «СДС-Уголь».

Крепление сетки осуществляется высокопроизводительными анкерустановщиками RАМВОR; НYDROMATIK с использованием полимерных смол.

Применение полного обрушения кровли наиболее эффективно на тонких и средней мощности пластах пологого и наклонного падения при породах I, II и III классов (табл. 4.1) когда обрушающиеся породы создают надежную породную подушку, предотвращающую вредные последствия вторичной осадки.

Также эффективно полное обрушение с перепуском обрушенных пород с вышележащего горизонта на нижележащий при разработке крутых пластов и рудных тел средней мощности. Здесь этот способ является основным способом управления горным давлением.

Способ частичного обрушения кровли менее эффективен, чем полного обрушения, и потому его применяют в настоящее время редко. При этом способе управления горным давлением обрушение непосредственной кровли производят между бутовыми полосами, возводимыми в выработанном пространстве параллельно простиранию пласта. Обрушаемая толща в этих условиях имеет меньшую высоту, чем при полном обрушении, и не обеспечивает полного подбучивания основной кровли.

Частичная закладка выработанного пространства является эффективным способом управления горным давлением в условиях резкого изменения мощности пласта, очень слабой почвы, весьма прочных или, наоборот, весьма слабых пород непосредственной кровли, т. е. преимущественно в условиях, когда процесс обрушения является труднорегулируемым. Это достигают путем возведения бутовых полос по простиранию пласта.

При разработке пластов мощностью до 1 м и тонких жил, в непосредственной кровле которых залегают породы, обладающие способностью прогибаться без видимых нарушений сплошности или с частичными местными растрескиваниями (IV класс по табл. 15.1), целесообразно управлять горным давлением способом плавного опускания (особенно, если почва пласта склонна к пучению) Это один из наиболее простых и экономичных способов

К числу самых дорогостоящих способов управления горным давлением относится в настоящее время полная закладка выработанного пространства. Поэтому данный способ применяют в тех случаях, когда другие способы не обеспечивают безопасности работ, технически неосуществимы или не отвечают дополнительным требованиям, предъявляемым к горным работам в рассматриваемых конкретных условиях. Такие требования могут возникнуть при послойной отработке пластов и рудных тел, при отработке мощных сближенных пластов или рудных тел в восходящем порядке, при необходимости сохранить вышележащие горные выработки или ответственные сооружения, расположенные на земной поверхности, и в других случаях.

В частности, целесообразно отрабатывать с полной закладкой выработанного пространства мощные крутопадающие пласты угля, склонного к самовозгоранию. При этом для исключения перепуска с верхних горизонтов материала закладки - сыпучих пород, глин, пород из участков потушенных и действующих пожаров между горизонтами, следует оставлять надежные целики или возводить специальные полосы из упрочненной закладки.

Способ закладки выработанного пространства (с учетом степени усадки закладочного материала) выбирают в зависимости от конкретных условий и поставленных задач. Иногда бывает достаточным удержать породы непосредственной и основной кровли от обрушения, а иногда нельзя допустить даже прогиба пород свыше определенного (нередко весьма малого) значения.

В условиях разработки маломощных угольных пластов крутого падения значительное распространение получил способ удержания призабойного пространства на кострах. При этом способе управления горным давлением в условиях пластичных пород преобладают явления плавного опускания кровли, а в условиях прочных пород - процессы обрушения.

Деревянные костры в угольной промышленности повсеместно используются в основном в качестве элемента, дополняющего крепь выработок в местах повышенного давления горного массива. Однако эффекты, полученные при применении традиционных костров, выполненных обычно из использованных железнодорожных шпал или другого низкокачественного сырья, оставляют желать лучшего - такие костры характеризуются высокой сжимаемостью уже при относительно небольших нагрузках, а кубатура занятого пространства и масса используемого материала несоразмерны с полученными результатами.

Эти наблюдения послужили основой для разработки компанией «Strata Products» (США) системы деревянных крепей нового поколения, к которым, в частности, принадлежит система деревянной костровой крепи LINK-IN-LOCK. Благодаря соответствующей форме элементов, из которых построена костровая крепь, передача давления происходит на всей их поверхности, а, следовательно, на удержание перекрытия работает 100% используемой древесины (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Система деревянной костровой крепи LINK-IN-LOCK

Плотный контакт элементов и оригинальный механизм заклинивания отдельных слоев обеспечивают значительную стабильность костра, несмотря на его тонкость, обеспечивают устойчивость к горизонтальному смещению и благоприятно влияют на характеристики установочной сопротивляемости крепи.

Элементы деревянной крепи LINK-IN-LOCK выполняются из твердой древесины (обычно бук) в виде элементов стандартных размеров.

(Пневмобаллонная крепь).

Вообще говоря, 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.

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.

4.5. Классификация применяемых систем разработки месторождений твёрдых полезных ископаемых

Под системой разработки месторождений полезных ископаемых понимают порядок проведения во времени и в пространстве определённого комплекса подготовительных и очистных выработок, а также способ осуществления очистных работ для добычи полезного ископаемого.

Разработано более 200 различных классификаций систем разработки, в их основу положены различные классификационные признаки:

· Размеры и форма месторождений (классификация проф. Крейна);

· Способ поддержания выработанного пространства (классификация проф. Н.И. Трушкова, Горного Бюро США и др.);

· Способ отбойки (единая классификация для всех твёрдых полезных ископаемых проф. Г.А. Цулукидзе);

· Состояние очистного пространства в период разработки (классификация член-корр. АН СССР М.И. Агошкова);

· Совокупность нескольких признаков.

Однако до настоящего времени нет достаточно совершенной классификации, вследствие весьма значительного разнообразия геологических и горнотехнических условий месторождений полезных ископаемых и применения многочисленных вариантов для каждого конкретного случая.

Для дальнейшего изложения нашего курса мы будем придерживаться классификации, в основу которой положен геомеханический фактор - способ управления напряжённым состоянием массива окружающих пород.

Необходимо отметить, что классификация по такому признаку или, что, практически, одно и то же, по признаку «управление горным давлением», «управление кровлей» является наиболее распространённой и, кроме того, охватывает все твёрдые полезные ископаемые - уголь, соли и руды.

В соответствии с этой классификацией все применяемые системы разработки делятся на 3 класса (табл. 4.1):

· системы с естественным поддержанием выработанного пространства;

· системы с искусственным поддержанием выработанного пространства;.

· системы с обрушением полезного ископаемого и вмещающих пород.

В ходе дальнейшего изложения курса рассмотрим последовательно особенности управления геомеханическими процессами для каждого из выделенных классов систем.

Таблица 4.1. Классификация систем подземной разработки месторождений