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

Другим примером надработки при системе этажного принудительного обрушения является применение опережающего взрывания блоков руды на всю высоту до проведения основной части нарезных выработок в днище блока (скреперных штреков, воронок, траншей и др.).

В практике встречается также предварительная отсечка от вмещающих пород верхней части перенапряженных блоков руды или оставленных ранее целиков для их разгрузки и последующей выемки.

Применение одностадийной выемки. Как известно, при системах с обрушением блоки руды могут отрабатываться в одну или две стадии. При двухстадийной выемке сначала в блоках вынимаются компенсационные камеры, на которые затем взрываются целики, при одностадийной -- руда отбивается на "зажатую среду" (т.е. на ранее отбитую руду или обрушенные породы) без предварительного образования компенсационных камер.

Максимум опорного давления при одностадийной выемке приходится на призабойный рудный массив (рис. 8.18, положение 1) при двухстадийной -- на оставляемые временные целики (положения 2, 3). При этом величина опорного давления на целики (особенно при сохранении целиками жесткости) в 1,5--2,0 раза выше, чем на массив (положение 3).

Рис. 8.18. Распределение опорного давления:

1 - при одностадийной выемке; 2 и 3 - при двухстадийной выемке соответственно с одной и двумя компенсационными камерами; у - действующие на целик и массив напряжения.

Величина коэффициента опорного давления зависит от отношения пролета выработанного пространства L к глубине разработки H. Исследования на моделях из эквивалентных материалов показали, что при одинаковой величине L/Н коэффициент опорного давления К_о ниже при одностадийной выемке (рис. 8.19).

Рис. 8.19. Зависимость коэффициента опорного давления К_о от соотношения L/Н:

1,2 -- соответственно первый и второй целики при двухстадийной выемке; 3 -- рудный массив при одностадийной выемке.

Поэтому одностадийную выемку целесообразнее применять при более слабых породах. При прочных нетрещиноватых породах, когда целики сохраняют свою устойчивость, более предпочтительна двухстадийная выемка.

Коэффициент опорного давления можно определить из выражения

К_о = л (L/Н)² +1, (8.13)

где л -- коэффициент, зависящий от условий разработки (находится экспериментально).

Принимая во внимание, что К_о = у_Z/(гН), можно определить максимальное значение действующего напряжения у_Z в зоне опорного давления при разработке до выхода обрушения на поверхность из формулы (8.13), подставив в нее значение К_о.

После обрушения поверхности при установившемся движении пород с шагом l₀ значение максимальных у_Z определяется:

на массив руды при одностадийной выемке

у_Z' = гН [л (l₀/Н)² +1]; (8.14)

на целики при двухстадийной выемке

у_Z” = K_ст гН [л (l₀/Н)² +1]; (8.15)

где K_ст - коэффициент, зависящий от числа временно оставляемых в блоке целиков, при одном целике K_ст =1,15?1,20, при двух K_ст = 1,3?1.4.

Если [у_сж^м] > у_Z' и [у_сж^ц] > у_Z” (здесь [у_сж^м], [у_сж^ц] пределы прочности пород на сжатие соответственно в массиве и целике), то успешно могут применяться как одностадийная, так и двухстадийная выемка. При [у_сж^м] > у_Z' и [у_сж^ц] < у_Z” необходимо применять только одностадийную выемку.

Предельная глубина применения двухстадийной выемки может быть найдена после преобразований выражения (8.15) по формуле

о у_Z”

Н_п = -------------------, (8.16)

K_ст г (о в² +1)

где о - коэффициент ползучести пород о = 0,5 ?0,7; в = l₀/Н, изменяется от 0,1 до 0,3 (большие значения характерны для меньших глубин).

На больших глубинах, как правило, применяется одностадийная выемка, так как перенапряжение целиков при двухстадийной выемке может быть причиной горных ударов. При отработке блоков необходимо соблюдать сплошной фронт работ с минимальными размерами уступов по линии фронта.

Создание искусственной податливости пород. Данный способ имеет целью придавать упруго деформируемым породам пластические свойства. Если оставляемым при разработке месторождений целикам придавать искусственную податливость, то система «целик--вмещающие породы» будет работать совместно, и при увеличении нагрузок, когда происходит сближение кровли и почвы очистного пространства, можно предотвратить разрушение целиков и обрушение кровли. Для этого необходимо, чтобы совместная работа вышеуказанной системы происходила в области допустимых деформаций.

С этой целью подбирают оптимальные параметры оставляемых целиков.

Например, при отработке пологих калийных пластов Старобинского месторождения системой длинными столбами с обрушением для предотвращения опасного трещинообразования водоупорной глинистой толщи применяется плавная посадка вышележащих пород (рис. 8.20).

Рис. 8.20. Управление обрушением пород при податливых целиках

С этой целью оставляются податливые целики шириной 3 м; при этом шаг обрушения непосредственной кровли составляет 9 м. Образующиеся трещины в основной кровле затухают ниже границы водоупорной толщи, и поступление воды с верхних горизонтов в подземные выработки предотвращается.

Для создания искусственной податливости целиков пробуривают скважины в породах почвы под целиками или разбуривают (без взрывания) массив целика под кровлей залежи параллельными скважинами, оставляя между ними промежутки пород (шириной 5 -- 7 см); пропиливают в целиках горизонтальные щели; вынимают верхнюю часть целика (толщиной 0,7-1,0 м) и закладывают ее низкомодульным материалом.

Для сохранности выработок (конвейерных, транспортных, вентиляционных), расположенных в панельных целиках и подверженных воздействию значительного опорного давления, параллельно проводят специальные разгружающие штреки, вокруг которых образуют зону податливости. С этой целью из разгружающих выработок буровзрывным способом или врубовой машиной проходят щели податливости на глубину 0.8--1.8 м в кровли, почве и боках в зависимости от предполагаемой зоны формирования пластических деформаций (рис. 8.21).

Рис. 8.21. Поперечное сечение разгружающего штрека, пройденного в слабых породах:

1 -- щели податливости; 2 - деревянный вкладыш; 3 - контур зоны податливости пород.

Разгружающие штреки проводят раньше охраняемых выработок на расстоянии 2,5--3,0 м от них и располагают несколько выше (на 0.8 м) уровня почвы этих выработок.

При увеличении опорного давления разгрузочные щели начинают смыкаться. Для более плавного смыкания в них рекомендуется вкладывать отрезки дерева или полиуретана. Практика показала, что приконтурный массив горных пород в результате пластического деформирования не разрушается. Если необходимо продлить срок службы выработки, то возможно дополнительное образование щелей с учетом последующего уменьшения площади сечения выработки.

Практически разгружающие щели можно делать в любых выработках, пройденных в слабых породах и подлежащих охране при воздействии на них опорного давления.

Расчёт толщины предохранительной подушки для защиты выработок от воздушного удара

Во избежание динамических воздействий от обрушающихся пород, в том числе воздушных ударов, при применении систем разработки с массовым обрушением действующие выработки в отрабатываемом этаже или подэтаже не должны иметь прямого контакта с незаполненным выработанным пространством.

Сила травмирующего воздействия воздушного удара определяется двумя факторами: величиной избыточного давления воздуха на фронте волны и скоростью воздушного потока.

При давлении на фронте ударной волны 0.2-0.9 атмосферы человек получает лёгкую контузию, при 0.35-1.05 атм. - разрыв перепонки. Отсюда допустимое давление на фронте ударной волны - 0.1 атм. (10 кПа).

При скорости больше 25-35 м/с воздух срывает человека с места, отсюда допустимая скорость движения воздуха равна 15 м/с.

В соответствии с требованиями правил безопасности эти выработки должны быть защищены предохранительной подушкой из раздробленной горной массы.

Предохранительная подушка может быть образована тремя способами:

за счёт заполнения выработанного пространства обрушенными породами;

за счёт временного оставления в выработанном пространстве части отбитой руды (при недостаточном затекании ранее обрушенных пород);

принудительным обрушением пород висячего бока на определённую высоту.

Способ образования предохранительной подушки и её толщина выбираются в зависимости от принятой под висячим боком системы разработки.

В специальном проекте на производство массового взрыва секции, расположенной под необрушенными породами висячего бока, должны быть предусмотрены:

характеристика заполнения выработанного пространства обрушенными породами (см. рис.8.6.);

оценка устойчивости обнажения покрывающих пород;

выбор типа предохранительной подушки (рудной или породной) по условию экономически допустимого интервала времени между созданием рудной подушки и её доизвлечением (в условиях ОАО «Апатит» этот интервал оценивается в 4.5 года);

расчёт необходимой толщины предохранительной подушки;

выбор схемы и параметров частичного принудительного обрушения пород для создания предохранительной подушки необходимой толщины на момент прекращения выпуска руды.

Расчёт предохранительной подушки производится из условия, чтобы перепад давления воздуха в действующих выработках при массовом обрушении покрывающих пород не превышал допустимого значения 0.02 МПа. Минимально необходимая толщина предохранительной подушки может быть определена из выражения:

для рудной подушки:

(8.17)

для породной подушки:

(8.18)

где - высота выработанного пространства;

. (8.19)

где - коэффициенты, учитывающие аэродинамическое сопротивление, соответственно, рудной (породной) подушки, обрушающихся пород и рудовыпускных выработок; - коэффициент, учитывающий степень изолированности подземной пустоты; - коэффициент, учитывающий прочие факторы (неравномерность толщины подушки и среднего диаметра куска слагающих её пород и т.п.) и резерв.

Численные значения коэффициента К₁ определяются из выражения:

, (8.20)

где f - коэффициент крепости породы (по шкале М.М. Протодьяконова), обрушенной для образования подушки; - средний диаметр кусков пород, слагающих подушку, м; (для рудников ОАО “Апатит” средний диаметр куска отбитой руды принимается =0.35-0.40 м; породы -- =0.8-1.0 м).

Значение коэффициента , учитывающего аэродинамическое сопротивление обрушающихся пород, зависит от характера обрушения и состояния выработанного пространства. При самообрушениях свода над выработанном пространством = 0.4; в случае полного самообрушения основных пород с мгновенным выходом на поверхность =0.9-1.0.

Коэффициент K₃, учитывающий аэродинамическое сопротивление рудовыпускных выработок, определяется из выражения:

, (8.21)

где S_секц- площадь отбитой секции, подлежащая защите от воздушного удара, м²; n - число выпускных отверстий по площади секции; Sв- площадь выпускного отверстия, м²; а - показатель степени, учитывающий характер обрушения: а = 1 при самообрушении свода и а = 1.7-2.0 в случае полного самообрушения.

Коэффициент , учитывающий степень изолированности выработанного пространства, принимают равным 0.8-1.0 (меньшее значение соответствует сбойке с пустотой у основания, а большее у кровли выработанного пространства).

Коэффициент , учитывающий прочие факторы (неравномерность толщины и кусковатости пород подушки), принимают равным 1.2-1.4 (большее значение соответствует значительной неравномерности толщины и кусковатости пород подушки).

Если в блоке уже имеется рудная подушка известной толщины, то толщина образуемой над ней породной подушки должна быть не менее

, (8.22)

где - толщина рудной подушки, м; - коэффициент разрыхления горной массы, слагающий породную подушку ( = 1.5).

Максимальная величина подработки покрывающих пород вкрест простирания l_п._доп, при которой ещё может обеспечиваться создание предохранительной подушки за счёт затекания ранее обрушенных пород (рис.8.22) определяется по формуле:

Рис. 8.22. Расчётная схема к определению толщины предохранительной подушки при затекании пород.

, (8.23)

где - высота выработанного пространства на границе отбойки; ц - угол затекания пород (для условий ОАО «Апатит» ц = 50⁰); б - угол падения контакта рудного тела.

Если , то затекание пород обеспечивает необходимую толщину предохранительной подушки и частичного принудительного обрушения не требуется. (l_П - ширина фронта подработки вкрест простирания).

При необходимо принудительное обрушение части пород висячего бока одновременно с массовым взрывом в блоке.

При этом необходимая высота обрушения пород _. определяется:

, (8.24)

где - фактическая толщина породной подушки на момент окончания выпуска породы из секции; - коэффициент разрыхления покрывающих пород.

Принудительное частичное обрушение пород висячего бока может быть осуществлено по схеме, изображенной на рис. 8.23.

Рис. 8.23. Схема частичного обрушения пород при системе этажного обрушения 1-контур частичного обрушения пород.

Принудительное частичное обрушение пород в проектах массовых взрывов предусматривается до тех пор, пока соотношения величин подработки вкрест простирания l и длины фронта работ по простиранию L не достигнут критических параметров, соответствующих полному самообрушению пород над выработанным пространством.

Предрасчёт объёмов обрушения

Предрасчет объемов и площади возможного развала подработанных пород висячего бока необходимо производить

- на участках, где обрушение пород может угрожать безопасности горных работ на карьерах или объектах промплощадки;

- для определения допустимых границ отбойки руды под висячим боком с точки зрения возможности размещения обрушающихся пород в выработанном пространстве.

В зависимости от уровня подпора ранее обрушившимися породами развал вновь отделившихся от массива пород висячего бока будет происходить по-разному, что необходимо учитывать при прогнозировании объемов и последствий обрушения:

В частности, при полном подпоре (h₀/H₁ = 1) (см. рис. 8.9) отделившиеся от массива подработанные породы (заколы), постепенно разрушаясь, заполняют выработанное пространство по мере его образования при выпуске руды. Угроза развала пород за пределы выработанного пространства при полном подпоре отсутствует, и предрасчет объёмов и площади развала обычно не производят.

При частичном подпоре (h₀/H₁ <1) (см. рис. 8.9) развал породы может произойти на всей площади или на части её; одновременно с массовым взрывом или с задержкой после него. При соответствующих условиях могут образовываться заколы и консольные зависания. В любом из этих случаев, следует считать, что часть подработанных пород, расположенных выше линии навалов, размещается в выработанном пространстве, или, при недостаточном объеме последнего, может быть выброшена за его пределы. Здесь вероятный объем и границы ожидаемого развала пород должны быть установлены предрасчетом.

В условиях рудников ОАО «Апатит» на участках, где обрушение происходит без оставления консоли, предрасчет производится в следующем порядке (рис.8.24):

Рис. 8.24. Схема к предрасчёту объёма обрушения покрывающих пород

1 - отбиваемая секция; 2 - подрабатываемые покрывающие породы; 3 - отработанное пространство, заполненное ранее обрушенными породами; 4 - граница ожидаемого обрушения; 5 - поверхность развала ранее обрушенных пород; 6-склон горы. АБ - граница возможного обрушения подрабатываемых пород; БДВГ - объём породы, который должен разместиться в отработанном пространстве

На разрезах, отстраиваемых в направлении вероятного развала пород и по характерным местам отбиваемой секции, рельефа поверхности и развала обрушенных пород, наносятся границы отбиваемой секции, фактическое положение стенки обрушения, уровень ранее обрушенных пород и склона горы в пределах ожидаемой подработки. От границы отбиваемой секции со стороны массива под углом обрушения отстраивается граница возможного обрушения подрабатываемых пород (линия АБ).

От точки подпора В, расположенной на границе ранее обрушенных пород проводится линия ВГ под углом развала , ограничивающая объем породы БДВГ, который должен разместиться в выработанном пространстве.

Подбирается положение линии ЕЖ, проводимой под углом с таким расчетом, чтобы площадь S_ЕЖГВ была в 1.5 раза больше (с учетом коэффициента разрыхления при обрушении) площади S_ВГБД.

Точки Е с разрезов переносятся на план дневной поверхности, а линия, соединяющая их между собой, представляет собой границу возможного развала пород при обрушении (опасную зону).

При наличии неблагоприятных факторов: большое количество снега в обрушении, сгладившего неровности существующей поверхности развала, большая высота свободной от подпора стенки обрушения; большая крутизна существующего развала пород - более 37 и т.п., зона может быть увеличена на 100 м. На участках плитных зависаний (с образованием консоли) предрасчет отличается от изложенного выше лишь тем, что граница возможного обрушения отстраивается на расстоянии от существующей стенки обрушения, равном шагу обрушения l. При этом от точки подпора В в сторону массива по горизонтали откладывается шаг обрушения l, в точке А под углом обрушения отстраивается граница возможного обрушения АБ (рис.8.25).

Рис. 8.25. Схема к предрасчёту объёма обрушения покрывающих пород при консольном зависании: 1 - выработанное пространство, заполненное ранее обрушенными породами; 2 - подработанные покрывающие породы; 3 - граница подработки; 4 - граница ожидаемого обрушения; 5 - поверхность развала ранее обрушенных пород; 6 - склон горы; 7 - стенка обрушения; 8 - карьер.

Предполагаемая зона обрушения поверхности должна быть ограждена от допуска в нее людей, как во время взрыва, так и после него, до окончательной посадки пород поверхности.

С целью изучение процесса сдвижения и обрушения покрывающих пород, уточнения методики прогнозирования объёмов обрушения, получения объективных данных о состоянии подрабатываемых пород и определения степени опасности от обрушенных пород организуются и выполняются визуальные наблюдения и инструментальные съёмки обрушений.

Правила безопасного ведения работ при системах разработки с обрушением

Запрещается применять системы разработки с обрушением руды и вмещающих пород при наличии в налегающих породах плывунов, неосушенных песков, суглинков и карстов, заполненных водой или газами.

При работах с обрушением боковых пород и кровли необходимо:

а) при задержке обрушения кровли свыше установленного паспортом шага обрушения применять принудительное обрушение; в таких случаях до обрушения кровли запрещается производить очистные работы;

б) работы по принудительному обрушению кровли должны проводиться в соответствии с разработанными мероприятиями, утвержденными главным инженером шахты;

в) во время проведения работ по обрушению люди не должны находиться в смежных заходках, а при посадке с помощью взрывных работ - и на нижележащем подэтаже;

г) выходы из обрушаемого участка до начала работ по обрушению должны быть освобождены от материалов и оборудования, а в случае необходимости дополнительно закреплены.

При работах с применением системы разработки слоевым обрушением:

а) при выемке первого слоя разрабатываемого рудного тела на почву должен укладываться усиленный настил для образования гибкого перекрытия (мата), а также должны приниматься меры для создания предохранительной шестиметровой породной подушки путем искусственного обрушения покрывающих пород взрыванием зарядов в скважинах, пробуренных в кровле выработки;

б) запрещается производить очистные работы по выемке слоя при зависании или задержке перемещения гибкого перекрытия до их устранения, а также в период движения и обрушения покрывающих пород;

в) ширина заходки и высота слоя не должны превышать 3 м;

г) отработка блока может вестись одновременно в нескольких слоях при условии отставания работ в одном слое от другого на расстояние, обеспечивающее нормальную посадку гибкого перекрытия (мата) и породы, но не менее, чем на 10 м.

При работах с применением систем разработки этажного (подэтажного) обрушения:

а) каждую последующую заходку (секцию) можно отрабатывать только после полной посадки кровли предыдущей заходки, если проектом принята отбойка руды единичными секциями. При задержке (отставании) обрушения руды выпуск ее должен быть прекращен

б) при одновременной отработке нескольких подэтажей каждый верхний подэтаж должен опережать нижний на расстояние, устанавливаемое проектом, но не менее чем на длину, равную высоте одного подэтажа;

в) при отбойке руды глубокими скважинами проходка буровых штреков или ортов и глубоких скважин из них должна опережать линию обрушения забоя не менее, чем на один буровой орт (штрек).

г) запрещается находиться людям в оконтуривающих выработках блока, полностью подготовленного к обрушению;

д) при отработке блока (камеры) должен вестись контроль за процессом обрушения из специальных выработок, соединенных с оконтуривающими выработками смотровыми сбойками, или с помощью глубоких контрольных скважин. Смотровые восстающие, служащие для наблюдения за процессом обрушения, должны проходиться вне контура блока (камеры) на расстоянии, исключающем их нарушение.

Размещено на Allbest.ru