Управление геомеханическими процессами при системах с обрушением полезного ископаемого и вмещающих пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

Управление геомеханическими процессами при системах с обрушением полезного ископаемого и вмещающих пород

(2 часа лекций + 4 часа практических занятий)

План

Общие сведения

Факторы, определяющие характер сдвижения и обрушения пород

Условия устойчивого состояния земной поверхности при разработке месторождений

Закономерности развития процессов сдвижения горных пород

Основные закономерности процессов обрушения пород

Параметры процессов обрушения пород

Взаимосвязь обрушения пород с опорным давлением

Снижение опорного давления и предотвращение его вредного воздействия

Расчёт толщины предохранительной подушки для защиты выработок от воздушного удара

Предрасчёт объёмов обрушения пород

Правила безопасного ведения работ при системах разработки с обрушением

Общие сведения

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

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

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

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

Таким образом, управление геомеханическими процессами при системах разработки с обрушением вмещающих пород заключается в целенаправленном изменении параметров систем разработки, в частности, последовательности и шага обрушения пород, величины опорного давления на краевую часть массива, толщины предохранительной подушки и объёмов обрушающихся пород.

Факторы, определяющие характер сдвижения и обрушения пород

обрушение порода геомеханический месторождение

На развитие процесса обрушения налегающих пород влияют:

· строение налегающих пород;

· физико-механические свойства налегающих пород;

· условия залегания;

· применяемые системы разработки;

· интенсивность и концентрация очистных работ;

· соотношение пролета подработки и глубины залегания месторождения.

Перечисленные факторы, можно разделить на две большие группы: горно-геологические и технологические.

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

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

Углы падения отрабатываемых рудных тел влияют на картину формирования зон сдвижения и обрушения, на форму и, прежде всего, симметричность, а также параметры мульд на поверхности.

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

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

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

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

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

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

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

Условия устойчивого состояния земной поверхности при разработке месторождений

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

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

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

Н_б /М=К_б, (8.1)

где К_б - коэффициент безопасности.

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

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

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

Рис. 8.1. Схемы к определению области деформирования земной поверхности а и б - параметры рудной залежи соответственно вкрест простирания и по простиранию.

На основании анализа и обобщения практического опыта отработки рудных месторождений ВНИМИ рекомендуется формула для расчёта безопасной глубины Н_р (от верхней границы залежи до дневной поверхности), при отработке слепых залежей с углом падения не более 750, при которой не будет критических деформаций земной поверхности

Н_р = 300 М_э L' k / (L' + 74 М_э) , (8.2)

где L' - горизонтальная проекция рудной залежи;

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

М_э - эффективная (приведенная) мощность залежи,

М_э = М (1 - К_зап + К_зап К_у).

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

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

Поскольку отработка рудных месторождений системами рассматриваемого класса (с обрушением) вызывает опасные деформации земной поверхности, рассмотрим последовательно основные закономерности развития процессов сдвижения горных пород в результате подземной разработки месторождений и основные закономерности развития процессов обрушения горных пород.

Закономерности развития процессов сдвижения горных пород

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

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

Часть породного массива, подвергшуюся сдвижению под влиянием горных разработок, принято называть областью сдвижения горных пород, а соответствующую часть земной поверхности -- мульдой сдвижения. В мульде сдвижения различают полумульду сдвижения по падению пласта L₁ и полумульду сдвижения по восстанию пласта L₂.

Сдвижения точек земной поверхности могут иметь разные значения и направления. Принято вертикальную составляющую вектора перемещения точки поверхности называть оседанием и обозначать . Соответственно горизонтальные составляющие называют горизонтальными сдвижениями и обозначают (в направлении вкрест простирания) и , (по направлению простирания).

Вертикальные сечения мульды по простиранию и вкрест простирания пласта, проходящие через точки с максимальным оседанием земной поверхности, называют главными сечениями мульды сдвижения (рис.8.2).

Рис. 8.2. Главные сечения мульды сдвижения вкрест простирания (а, в) и по простиранию (б, г) при неполной (а, б) и полной подработке (в, г).

1-полезное ископаемое; 2- выработанное пространство; 3- земная поверхность до подработки; 4-мульда сдвижения; 5 участок с “плоским дном”.

Границы мульды сдвижения определяются граничными углами. Это внешние, относительно выработанного пространства, углы, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды горизонтальной линией и линиями, соединяющими границы выработанного пространства с граничными точками области сдвижения (в качестве которых принимают обычно точки, получившие оседания 10--15 мм). Различают граничные углы по простиранию _о, по падению _о и по восстанию _о пласта или залежи.

Углы, образованные горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границы горных работ и внешние границы зоны опасных деформаций, носят название углов сдвижения. Определяют их так же, как и граничные углы (на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения). Подобно граничным углам они обозначаются соответственно - по простиранию; - по падению и - по восстанию залежи. Различают углы сдвижения в коренных породах (, и ) и в наносах ().

Выделяют также углы разрывов (, , ) -- внешние, относительно выработанного пространства, углы, образованные на вертикальных разрезах по главным сечениям мульды сдвижения горизонтальными линиями и линиями, соединяющими границу выработки с наиболее удаленной от центра мульды сдвижения трещиной. Углы разрывов обычно на 5--10° круче углов сдвижения, но не более 90°.

Углы сдвижения и разрывов пород при полной подработке

Таблица 8.1.

Коэффициент крепости пород f	Угол падения пород бп или рудного тела бр.т., градус	Углы сдвижения и разрыва пород, градус
		в	г	в1	д
Слоистое строение пород (осадочные породы)
<5	0-30	55-45	55	-	55
	31-45	45-40	55	-	55
	46-60	40	-	(бп - 5)*
	61-80	40-45	-	50	55
	81-90	45-50	-	50	55
>5	0-30	60-50	55+1.5f	-	55+1.5f
	31-45	50-45	55+1.5f	-	55+1.5f
	46-60	45-40	-	-	55+1.5f
	61-80	40	-	бп**	55+1.5f
	81-90	40-35	-	60***	55+1.5f
Неслоистое строение пород
5-10	0-30	65	65	-	70
	31-50	60	65	-	70
	51-80	65	-	бр.т	70
	81-90	60	-	65	70

*) Не более 50⁰;

**) Не более 65⁰;

***) При б_п > 80⁰, f_л.б. < f_в.б.

При определенном соотношении размеров выработанного пространства и глубины разработки в мульде сдвижения образуется плоское дно, т. е. участок с максимально возможными оседаниями при данной мощности и угле падения пласта (залежи). На этом участке сдвижения носят в основном равномерный характер. Условия, при которых в мульде сдвижения образуется плоское дно, принято называть полной подработкой земной поверхности (см. рис. 8.2 в,г).

Границы плоского дна определяются углами полной подработки - ₁, ₂, и ₃.

В условиях неполной подработки максимальное оседание наблюдается, строго говоря, в одной точке мульды сдвижения и обозначается _max, а положение точки, имеющей максимальное оседание, определяется углом максимального оседания .

При полной подработке значения максимальных оседаний характерны для множества точек плоского дна, они обозначаются _0.

Неравномерность сдвижения горных пород вызывает деформации земной поверхности. Для характеристики деформаций используют следующие параметры:

а) Наклоны интервалов в мульде сдвижения i -- отношения разности оседании двух точек мульды к расстоянию между ними, выраженные безразмерной величиной; при расчете деформаций наклон характеризует неравномерность распределения оседании в сечении мульды сдвижения.

б) Кривизна мульды сдвижения К_р -- отношение разности наклонов двух соседних интервалов мульды к полусумме длин этих интервалов; кривизна характеризует неравномерность распределения наклонов в сечении мульды сдвижения.

в) Радиус кривизны мульды сдвижения -- величина, обратная кривизне мульды сдвижения, выраженная в метрах R_Kр = 1/К_р;

г) относительные горизонтальные деформации в мульде сдвижения -- отношения разности горизонтальных сдвижений двух точек мульды к расстоянию между ними, выраженные безразмерной величиной. При растяжении считается положительным, при сжатии - отрицательным. Горизонтальные деформации характеризуют неравномерность горизонтальных сдвижений в мульде сдвижения.

В мульде сдвижения выделяют зону опасных деформаций, за пределами которой деформации не превышают следующих критических значений:

наклоны мульды сдвижения i = 4 10^-3;

кривизна K_p = 2 10^-4 м^-1;

горизонтальные деформации (растяжение) = 2 10^-3.

Период, в течение которого земная поверхность над выработанным пространством находится в состоянии сдвижения, принято называть общей продолжительностью процесса сдвижения.

Из общей продолжительности процесса сдвижения обычно выделяют период опасных деформаций, т. е. период, в течение которого наиболее вероятно появление повреждений в подрабатываемых объектах. Нередко его связывают со скоростью оседаний земной поверхности. Так, в ряде нормативных документов под периодом опасных деформаций понимают промежуток времени, в течение которого земная поверхность оседает со скоростью не менее 50 мм в месяц при пологом и наклонном залегании пластов или рудных тел и не менее 30 мм в месяц в условиях крутого залегания.

Для конкретных условий каких-либо месторождений в общей области сдвижения горных пород и общей зоне сдвижения земной поверхности по особенностям характера сдвижения массива пород могут быть выделены частные области и зоны.

Например, для условий Хибинских апатито-нефелиновых рудников, являющихся типичным примером применения систем с обрушением, выделяются (рис. 8.3):



Рис.8.3. Области и зоны различного деформирования массива и земной поверхности в условиях Хибинских апатитовых рудников.

Зона обрушения (1). Область, в которой породы в результате отрыва от массива и беспорядочного движения превращены в несвязную массу с коэффициентом разрыхления более 1.3; в результате выпуска руды из эксплуатируемых блоков в области обрушения образуются воронки и провалы.

Зона сдвигов или террас (2). Область, в которой деформации сопровождаются сдвигом и оседанием крупных блоков с образованием террас на земной поверхности. Внешней границей зоны террас является контур крайних трещин с раскрытием и высотой уступа более 0.25 м.

Зона трещин (3). Область, в которой деформации сопровождаются смещением пород с образованием трещин; при выходе на поверхность эта область образует зону трещин, внешней границей которой является контур крайних трещин.

Границы всех выделенных зон на апатитовых рудниках определяются с помощью угловых и линейных параметров.

К угловым параметрам относятся: угол сдвижения , угол разрыва и угол обрушения _. К линейным параметрам относятся: шаг обрушения l₀, высота стенки обрушения h₀, длина фронта подработки покрывающих пород по простиранию L.

Определяют параметры зон сдвижения и обрушения инструментальными или расчетными методами. Для инструментальных наблюдений оборудуют специальные наблюдательные станции на длительный или короткий срок в зависимости от поставленных конкретных задач.

Расчетные методы применяются для прогнозирования вредного влияния горных работ на подземные и поверхностные сооружения. При этом широко используются данные по сдвижению и обрушению пород на аналогичных месторождениях.

Основные закономерности процессов обрушения пород

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

1. до выхода обрушения на поверхность;

2. после выхода обрушения на поверхность.

Последовательное развитие обрушения трещиноватых пород однородного строения при горизонтальном залегании полезного ископаемого можно представить в виде принципиальной схемы, изображенной на рис. 8.4.



Рис 8.4. Принципиальная схема обрушения трещиноватых скальных пород однородного строения (пунктиром показаны линии сдвижения и самообрушения пород):

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

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

В крепких слаботрещиноватых или расслоенных породах своды обрушения могут быть плоскими, а в неустойчивых сильно трещиноватых -- сводчатыми, с различной высотой свода, определяемой степенью устойчивости пород и условиями разработки.

Например, в интенсивно раздробленных неустойчивых габбро-диабазах рудника "Заполярный" Норильского ГМК отношение максимальной высоты свода В_maх к предельному пролету подработки L_п изменялось от 0,40 до 0,45.

В то же время на рудниках Жезказгана, где породы менее трещиноваты, но склонны к расслоениям, согласным с залеганием залежи, это отношение меньше - В_maх / L_п =0,25?0,30. Это объясняется также условиями развития обрушения, обусловленными отработкой рудных залежей с оставлением целиков и последующим их деформированием.

Первое обрушение поверхности в виде провала (стадия А, см. рис. 8.4), как правило, происходит над наиболее высокой частью естественного свода.

В сильнотрещиноватых породах этому обрушению, как показывают маркшейдерские наблюдения, предшествует медленное сдвижение земной поверхности без разрыва сплошности. Интенсивное нарастание сдвижения наступает непосредственно перед тем, как образуется провал. Обрушение происходит обычно под крутыми углами (75-90⁰) в сторону выработанного пространства.

В малотрещиноватых породах провалы поверхности происходят внезапно без заметного сдвижения поверхности и предварительного появления трещин. Поэтому они представляют большую угрозу, как для зданий, сооружений, так и для людей.

В толщах, сложенных слабыми породами, первое обрушение до поверхности принимает трубообразные формы.

Общий коэффициент разрыхления пород на этой стадии разработки, судя по величине провалов и сдвижений поверхности, составляет 1,03-- 1,06 и обычно не превышает 1,1. Это свидетельствует о незначительном разделении массива по трещинам, особенно на заключительной стадии обрушения (части массива А, Б, В, Д на рис. 8.4).

Дальнейшее обрушение пород после образования провала происходит в виде консолей. Консольные зависания Б и В постепенно сползают в сторону обрушившихся пород под углами 75-90°, образуя на поверхности террасообразные площадки.

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

При наклонных углах падения рудных залежей общая схема несколько видоизменяется. Подрабатываемые породы висячего бока обрушаются также в виде консолей вслед за выемкой руды, при этом происходит частичное заполнение выработанного пространства.

Форма поверхности отрыва и скольжения самообрушающихся блоков определяется структурными особенностями массива. При наличии крупных структурных неоднородностей (трещин большой протяжённости, даек, зон ослабленных пород и др.), параллельных фронту подработки, именно они являются поверхностями отрыва и скольжения обрушающихся блоков.

В частности, для условий апатитовых месторождений естественные поверхности ослабления пород висячего бока представлены, в основном, мончекитовыми дайками и зонами шпреуштейнизации.

При отсутствии естественных поверхностей ослабления, падающих в сторону обрушения, общая поверхность обрушения на апатитовых месторождениях слагается из поверхности отрыва СД (рис. 8.5), имеющей средний наклон 80 и поверхности скольжения АД с углом наклона 30.

Рис. 8.5. Параметры возможного обрушения пород при наклонном падении рудных залежей (на примере Хибинских апатитовых месторождений).

При частичном заполнении обрушающиеся породы висячего бока образуют в выработанном пространстве навал высотой h c углом откоса ц, который называется углом затекания (рис. 8.6).

Рис 8.6. Образование зоны под висячим боком, опасной по воздушным ударам (гор. +250 м, Юкспорский рудник, ОАО «Апатит»).

- угол падения висячего контакта рудной залежи, - - прогнозируемая площадь, не заполняемая обрушенными породами после полного выпуска руды; - угол затекания обрушенных пород.

Практикой апатитовых рудников установлено, что при отработке верхних горизонтов (2-3 горизонта от поверхности) для пород висячего бока после отбойки руды в блоке, как правило, не требовалось принудительного обрушения, так как они самообрушаются. С переходом на нижележащие горизонты управление породами висячего бока становится сложнее. Например, уже при отработке гор. +392 м Кукисвумчоррского месторождения возникла необходимость обрушения пород висячего бока минными зарядами. Тогда для этого блоковые восстающие поднимали выше контура рудного тела на 10-15 м. Из них проходили минные штреки и минные карманы. Минные заряды располагали через 12-15 м.

При отработке наклонных рудных тел с углом падения, меньшим угла затекания ц, под висячим боком накапливаются пустоты, представляющие опасность воздушных динамических ударов при внезапном обрушении покрывающих пород. Обеспечение безопасных условий применения систем с массовым обрушением по фактору воздушных ударов достигается созданием предохранительной породной, рудной или рудопородной подушки требуемой толщины.

Если подземный очистной забой (или фронт очистных работ) непрерывно продвигается, то обрушение пород все время будет происходить в виде консолей, следуя за очистным забоем и не получая полное развитие по граничному углу вплоть до остановки забоя. Обрушение образовавшейся консоли будет происходить участками, определяемыми предельным (критическим) вылетом консоли, величину которого в первом приближении можно определить по формуле

Х = ±vу”_max h / г, (8.3)

где у”_max - максимальное растягивающее напряжение в консоли, h - мощность консоли; г - объёмный вес пород.

Вообще на характер обрушения консолей существенно влияют силы подпора со стороны ранее обрушившихся пород. Так, если растягивающие усилия, вызываемые весом консоли, в верхней части зависания не уравновешиваются силами подпора обрушенных пород, то ещё до посадки на поверхности образуются почти вертикальные трещины разрыва, создавая условия для дальнейшего сдвижения оторвавшейся части массива. Место раскрытия трещины на поверхности находится не над линией фронта очистных работ (как в упругой среде), а за ней, дальше к массиву.

Наблюдения, проведенные на Зыряновском месторождении, и их анализ показывают, что шаг обрушения консоли составляет 10--15 м и величина его довольно стабильна. Обрушению консоли предшествует появление трещин разрыва. Аналогичные выводы получены применительно и к другим месторождениям. Отделившаяся от массива часть консоли постепенно оседает и, разрушаясь, уходит в зону обрушения. Это обусловлено подпором ранее обрушившихся пород, заполнивших зону обрушения. С увеличением влияния подпора, а также с переходом на большие глубины, обрушение происходит в результате сдвига с последующим разрывом поверхности. Плотное прилегание обрушившихся ранее пород к массиву препятствует образованию опережающих трещин на дневной поверхности, способствует плавному сползанию консоли сплошным монолитом почти без разрыхления.

Например, при отработке Кукисвумчоррского месторождения (ОАО «Апатит») консольные образования трещиноватых пород висячего бока обрушаются крупными блоками («заколами») без интенсивного дробления.

(фото закола, Кировский рудник)

При крутом падении рудных залежей в процесс обрушения вовлекаются и породы лежачего бока, которые сползают в виде малораздробленных "призм" с некоторой задержкой от обрушения пород висячего бока (рис. 8.7).

Рис. 8.7. Закономерности обрушения пород при отработке рудных тел крутого падения (в условиях Криворожского железорудного месторождения, по данным В.Ф. Лавриненко): I, II,.... IX - стадии отработки залежи; I',… IV' - стадии обрушения пород; V',…VIII' - сводообразные обрушения пород; Н_кр и Н_отр - соответственно глубина критическая и отработки; В - ширина зоны смятия; б - угол падения залежи; в,г - углы сдвижения.

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

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

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

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

Параметры процессов обрушения пород

Как отмечалось ранее, после выхода обрушения на поверхность и самопосадки консолей Б и В (см. рис. 8.4) при продолжении отработки в направлении от выработанного пространства к массиву образуются консоли пород, обрушающиеся при определенном шаге подработки.

Самообрушения пород могут происходить по двум схемам (рис.8.8):

- по типу плиты - при трёхстороннем опирании (L l) (рис. 8.8 а);

- по типу консоли - при двухстороннем (рис.8.8 б) или при одностороннем опирании (L>>l) (рис. 8.8 в).

Рис. 8.8. Измеряемые параметры самообрушений пород до поверхности.

Самообрушения по типу плиты характерны для начала отработки новых горизонтов, по типу консоли - режим установившегося самообрушения в процессе отработки горизонта. При трёхстороннем (тип плиты) опирании самообрушение покрывающих пород происходит с оставлением консоли зависающих пород.

Для характеристики самообрушений используются параметры в плане L и l_i и по высоте H_i и h₀. Параметр L определяется как расстояние между крайними точками опирания кромки обрушения на неподработанный массив пород (рис. 8.8а и 8.8б). Параметр l определяется по перпендикуляру к линии простирания кромки обрушения от нее до границы подработки (рис. 8.8 а и 8.8 б). Параметр l усредняется по нескольким линиям. Параметр H определяется как средняя глубина в районах кромки обрушения (H₁) и границы подработки массива (H₂) (рис. 8.8 г), а затем, как и для l, проводится усреднение по тем же линиям.

Для оценки влияния навалов определяются два параметра: h₀ - абсолютная высота свободной от подпора стенки обрушения и h₀/H₁ - относительная высота свободной от подпора стенки обрушения.

Под шагом обрушения l₀ понимается горизонтальное расстояние между предыдущей и последующей кромками обрушения на дневной поверхности по направлению, перпендикулярному линии простирания кромки обрушения.

При консольном зависании вероятный шаг самообрушения определяется как расстояние от кромки обрушения до границы подработки или до ближайшей естественной трещины, субпараллельной простиранию кромки обрушения или границе подработки.

Величина шага обрушения зависит от воздействия многих факторов, из которых наиболее существенными являются свойства массива и силы подпора со стороны ранее обрушившихся пород 2 и 3 (рис. 8.9).

Рис. 8.9. Расчетные схемы для определения шага обрушения при плотном (а) и недостаточном (б) подпорах со стороны ранее обрушившихся пород.

При плотном подпоре консоли возникают препятствия развитию сдвигающих усилий, что способствует плавному сползанию консоли и увеличению шага обрушения.

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

Для расчета шага обрушения трещиноватых пород, если H/l_о > 3, наиболее применима теория предельного равновесия. В формировании поверхности сдвижения решающую роль играет касательная составляющая Т веса консоли пород Р.

Как показывают данные маркшейдерских замеров и результаты моделирования на эквивалентных материалах, угол наклона линии сдвига щ к горизонтали изменяется в пределах 75-90°. В расчетах, когда щ > 60°, вполне допустимо криволинейную поверхность скольжения считать плоской.

Если консоль плотно подпирается обрушенными породами (см. рис. 8.9, а), то сдвигающее усилие Т = Р sinщ уравновешивается удерживающими силами трения F = N tgц = Р cosщ tgц, сцепления С = с l (l = МД) и подпора Q_ф, т.е.

Т = F + C + Q_ф. (8.4)

Силу Q_ф можно найти как составляющую от пассивного давления Q_Х на подпорную стенку. В частности, по линии МД удерживающая составляющая от силы подпора будет:

Q_ф = Q_Х sinщ tgц, (8.5)

где ц -- угол внутреннего трения пород в массиве.

В свою очередь, пассивное давление Q_Х в соответствии с теорией Кулона может быть выражено уравнением

Q_Х = 0.5 (H - x)² г' tg²(р/4 - ц'/2) (8.6)

где х -- осадка обрушенных пород: г', ц' -- соответственно удельный вес и угол внутреннего трения обрушенного материала.

U

x = m --------- - H (K_раз - 1), (8.7)

1 -R

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

Условие предельного равновесия (8.4) после подстановки значений записывается в виде

Р sinщ =Р cosщ tgц + с l + Q_x sinщ tgц. (8.8)

Подставляя значение веса консоли Р=Н l₀ г и величину Q_Х в выражение (8.8) получим

0.5 (H - x)² г' tg²(р/4 - ц'/2) sin²щ tgц + c H

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

г H sinщ (sinщ - cosщ tgц)

где г - удельный вес пород в массиве.

При недостаточном подпоре со стороны пород, обрушившихся ранее, еще до начала сдвижения консоли, на земной поверхности появляются опережающие трещины разрыва, которые влияют на увеличение сдвигающих усилий в нижней части консоли (рис.8.9 б)

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

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

2 с

Н_Т = ----- tgщ, (8.10)

г

где с - удельное сцепление пород в массиве; щ= р/4 + ц/2.

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

В отличие от предыдущего случая (8.8), условие предельного равновесия будет иметь вид

Н₁

Р sinщ =Р cosщ tgц + с---------- + Q_x sinщ tgц. (8.11)

sinщ

Подставляя в выражение (8.11) значение веса консоли Р=Н l₀ г и величину Q_Х, получаем величину шага обрушения

c (H - H_Т) + Q_x sin²щ tgц

l₀ = -------------------------------------. (8.12)

г H sinщ (sinщ - cosщ tgц)

Из формулы (8.12) следует, что шаг обрушения зависит от глубины ведения горных работ. Это объясняется возрастанием сил сцепления и подпора по поверхностям отрыва.

Во многих случаях параметры подработки (в том числе оптимальный шаг обрушения), обеспечивающие спокойное самообрушение вышележащих пород, определяются на основании практического опыта проведения горных работ.

Например, критические параметры подработки для Юкспорского и Расвумчоррского рудников ОАО «Апатит» до глубины залегания в 500м и при отсутствии в покрывающих породах зон ослабления принимаются из графиков на рис. 8.10.

Рис. 8.10. Прогнозные кривые критических параметров подработки покрывающих пород на Юкспорском (а) и Расвумчоррском рудниках ОАО «Апатит».

Взаимосвязь обрушения пород с опорным давлением

Действие опорного давления на прилегающий рудный массив характеризуется:

· коэффициентом концентрации опорного давления К_о = у_д/(гН) (где у_д -- действующее напряжение);

· шириной зоны опорного давления, т.е. расстоянием от кромки очистного забоя до точки в глубине массива, где действующие напряжения отличаются от естественных напряжений в ненарушенном массиве на 5 -- 7 %;

· максимальной величиной опорного давления и зоной его действия;

· характером деформаций пород в зоне опорного давления.

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

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

Изучению механизма опорного давления во взаимосвязи с состоянием налегающих пород при различных системах разработки, как в нашей стране, так и за рубежом посвящены многие исследования в лабораторных и производственных условиях. Было установлено, что в прочных породах максимум опорного давления приходится на участки, близко прилегающие к очистному забою, а в породах, склонных к пластическим деформациям -- он удален в глубь массива. Отмечается, что зона распространения опорного давления во втором случае занимает большую площадь, чем в первом. В реальных условиях максимум опорного давления в прочных породах обычно располагается на расстоянии 1,0--1,5 м от груди забоя, а в пластичных -- более 2,0--2,5 м. В краевой части массива различают зоны пониженных I, повышенных II и первоначальных III напряжений (рис. 8.11).



Рис. 8.11. Эпюры распределения опорного давления (2) в массиве руды, прилегающем к выработанному пространству.

Пунктирными линиями показано распределение опорного давления в упругих (1) и пластичных (3) породах.

Как показали результаты опытов на моделях, опорное давление возрастает с увеличением пролета выработанного пространства и задержкой обрушения пород (рис. 8.12).

Рис. 8.12. Нарастание опорного давления при постепенном увеличении пролета подработки и задержке обрушения пород (по данным моделирования):

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

Постепенное нарастание коэффициента опорного давления по мере подработки иллюстрируется графиком на рис. 8.13.

Рис. 8.13. Изменение коэффициента опорного давления с увеличением пролёта подработки пород до обрушения поверхности.

Максимум опорного давления при достижении предельного пролета подработки (перед обрушением пород) может увеличиваться до (3?5) гН. На рис. 8.14 показано изменение коэффициента опорного давления и зона распределения повышенных напряжений в различные периоды отработки.

Рис. 8.14. Изменение опорного давления на массив руды при предельном пролете подработки (по данным моделирования):

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

Кривая 1 показывает характер опорного давления в период до обрушения пород. После сводообразного обрушения происходит снижение максимума опорного давления на краевую зону массива (кривая 2). Напряжения, развивающиеся в подработанной толще пород, вызывают провал поверхности, в результате которого образующиеся консольные зависания являются причиной опережающего деформирования краевой части массива. Эта стадия развития опорного давления иллюстрируется кривой 3. Сглаживается максимум опорного давления, уменьшается ширина зоны опорного давления. Опорное давление снижается до значения гН после полного обрушения консолей (стадии В, Д, см. рис. 8.4).

Исследования показывают, что максимум опорного давления зависит от шага обрушения консольных зависаний l₀ и глубины работ H (рис. 8.15). Замечается снижение темпа роста коэффициента опорного давления с глубиной работ.

Рис. 8.15. Зависимость коэффициента опорного давления К_о от шага обрушения консоли l_о при различной глубине разработки:

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

Таким образом, между обрушением налегающих пород, величиной и распределением опорного давления существует тесная взаимосвязь. Для сохранения устойчивости рудного массива и обеспечения безопасных условий труда необходимо, чтобы интенсивность очистной выемки соответствовала скорости формирования зоны деформаций на фронте очистной выемки.

Таким образом, управление геомеханическими процессами в данном случае состоит в выборе таких параметров отрабатываемых блоков руды, чтобы обрушение зависающих пород наступало прежде, чем появляются опасные деформации в рудном массиве.

Снижение опорного давления и предотвращение его вредного воздействия

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

· создание благоприятных условий для своевременного самообрушения пород и предотвращения опасных зависаний;

· соответствие параметров отрабатываемых блоков шагу обрушения пород;

· принудительная посадка труднообрушаемых пород;

· опережающая выемка верхних частей блоков или надработка перенапряженных участков месторождения;

· применение податливых целиков и разгружающих выработок в зонах опорного давления;

· применение одностадийной отработки блоков вместо двухстадийной;

· строгое соблюдение интенсивности работ и порядка отработки месторождения (шахтного поля, участка, блока).

Некоторые из этих мероприятий рассмотрим детально.

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

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

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

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

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

Если самообрушение пород задерживается и возникает угроза внезапной посадки пород, то для создания предохранительной "подушки" между работающими блоками и зависающими породами необходима принудительная посадка пород объемом, обеспечивающим дальнейшую безопасную выемку. Обычно, когда отрабатываются пологие или наклонные залежи, налегающие породы подрываются на высоту, равную или превышающую мощность залежи (рис. 8.16).

Рис 8.16. Схема принудительной посадки пород глубокими скважинами:

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

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

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

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

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

Надработка напряженных участков массива руды. Сущность этого метода заключается в отрезке напряженных участков массива руды от вышележащих пород с целью снижения опорного давления. Для этого применяются:

первоочередная выемка верхних подэтажей в блоке,

проходка специальных разгружающих (защитных) или отсечных выработок со стороны висячего бока,

первоочередная отработка вышележащих залежей (пластов, жил).

В результате этого происходит разгрузка массива руды защищенных залежей, предназначенных для очистной выемки.

В качестве примера, поясняющего влияние опережающей выемки верхнего подэтажа на напряженное состояние расположенного ниже массива руды, можно привести надработку верхней части блока при системе этажного принудительного обрушения с одностадийной выемкой (рис. 8.17).



Рис. 8.17. Схема опережающей отбойки подэтажей при системе этажного принудительного обрушения:

1 -- откаточный орт; 2 -- выпускная воронка; 3 - подсечная выработка; 4 -отбитая руда; 5 - обрушенные породы; 6 - линия сдвижения породной консоли; 7 -- эпюра опорного давления до обрушения консоли; 8 -- то же после обрушения консоли; 9 - то же после образования зависания пород; 10 -- линия отбойки руды; 11 - подэтажные выработки; 12 - массив руды; I - VII - очередность отбойки подэтажей.

Вследствие зависания консолей вышележащих пород массив руды в блоке может подвергаться воздействию высокого опорного давления (особенно при увеличении глубины работ). В результате этого деформируются буровые и выпускные выработки, смещаются пробуренные взрывные скважины. Чтобы предотвратить или снизить вредные проявления опорного давления, рекомендуется до выемки основной части секций в блоке (части I, Ш, V, VII) производить опережающую отбойку верхних подэтажей (II, IV, VI). Это приводит к разгрузке секций и перемещению максимума опорного давления на нетронутый массив. При зависании консолей, как правило, происходит опережающее деформирование верхней части рудного массива, поэтому целесообразно линию забоя в блоке по высоте делать ступенчатой или наклонной в сторону висячего бока, как это показано на рис. 8.17.