Последовательность обрушения пород

На развитие процесса обрушения налегающих пород влияют:

- характер строения налегающих пород;

- физико-механические свойства налегающих пород;

- условия залегания;

- применяемые системы разработки;

- интенсивность и концентрация очистных работ;

- соотношение пролета подработки и глубины залегания месторождения.

Практика разработки рудных месторождений показывает, что к обрушению наиболее склонны трещиноватые или слоистые слабые породы, имеющие геологические нарушения. Процессы обрушения протекают интенсивнее при отработке пологопадающих и наклонных залежей, имеющих значительную мощность. При медленном подвигании очистных работ происходит постепенное растрескивание, расслоение и самообрушение подрабатываемых пород. Интенсивная же отработка может быть причиной «мгновенной» посадки в виде сплошных крупных блоков.

При отработке слепых залежей из-за последовательного сводообразования самообрушение пород может локализоваться, не достигая поверхности. В результате этого образуются скрытые полости, представляющие угрозу внезапной посадки.

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: до обрушения поверхности и после ее обрушения.

Последовательное развитие обрушения трещиноватых пород однородного строения можно представить в виде принципиальной схемы, изображенной на рисунке 14.1.

Рисунок 14.1. 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 бывают плоскими, а в неустойчивых сильно трещиноватых — высокими.

Например, на рудниках Жезказгана, где породы менее трещиноваты, но обладают расслоениями согласными с залеганием залежи, - Первое обрушение поверхности в виде провала (стадия А, см. рисунок 14.1), 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. 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.

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 рисунке 14.1). Консольные зависания Б и В постепенно сползают в сторону обрушившихся пород под углами 75-90°, образуя на поверхности террасообразные площадки.

При крутом угле падения рудных залежей подрабатываемые породы висячего бока обрушаются вслед за выемкой руды. Если непосредственная кровля имеет слоистое или трещиноватое строение, то происходит самообрушение пород и частичное заполнение выработанного пространства. Основная же часть лежащего бока сползает в виде малораздробленных пород «призм» с некоторым отставанием.

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 в зависимости от угла падения рудного тела располагается ближе к лежачему боку залежи. При значительной мощности залежей, сползающие породные призмы и сверху 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. Есть мнение, что развитие зоны смятия обусловливается также действием горизонтальных сил бокового распора, направленных в сторону выработанного пространства.

Начиная с определенной глубины (500-600 м и более) в результате перепуска и уплотнения обрушающихся пород скорости сдвижения поверхности замедляются, прекращается образование зон обрушения, уменьшается трещинообразование, появляются плавные оседания.

Шаг обрушения пород

Как отмечалось ранее, после выхода обрушения на поверхность и самопосадки консолей Б и Д (см. рисунок 14.1) отработка продолжается в направлении от выработанного пространства к массиву. Начинается период разработки, когда образуются консоли пород, обрушающихся при определенном шаге 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 (рисунок 14.2 а).

Плотно подпирающие консоль, они препятствуют развитию сдвигающих усилий, уменьшают величину шага обрушения, способствуют плавному сползанию консоли.

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

Для расчета шага обрушения трещиноватых пород, если , 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 ω к горизонтали изменяется в пределах 75-90°. В расчетах, когда ω > 60°, вполне допустимо криволинейную поверхность скольжения считать плоской.

Рисунок 14.2. Расчетные схемы для определения шага обрушения при плотном (а) и недостаточном (б) подпорах со стороны ранее обрушившихся пород.

Если консоль плотно подпирается обрушенными породами (см. рисунок 14.2, а), то сдвигающее усилие Т = Р sinω уравновешивается удерживающими силами трения F = N tgφ = Р cosω tgφ , сцепления С = с l (l = МД) и подпора QT.

Силу QT можно найти как составляющую пассивного давления QХ на подпорную стенку по Кулону

, (14.3)

где х — осадка обрушенных пород; γ ’, φ ’ — соответственно удельный вес и угол внутреннего трения обрушенного материала.

, (14.4)

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

Удерживающая составляющая силы подпора пород по линии МД будет

Q_T = Q_Х sinω tgφ , (14.5)

где φ — угол внутреннего трения пород в массиве.

Условие предельного равновесия Т = F + С + Q_T после подстановки значений можно записать в виде

Р sinω = Р cosω tgφ + сl + Q_x sinω tgφ. (14.6)

Подставляя значение веса консоли Р = Н l₀ γ и величину Q_Х в выражение (14.6) получим

, (14.7)

где γ - 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 (рисунок 14.2 б)

Действие опорного давления на прилегающий рудный массив характеризуется:

- коэффициентом концентрации опорного давления (где σ _д — действующее напряжение);

- шириной зоны опорного давления, т.е. расстоянием от кромки очистного забоя до точки в глубине массива, где действующие напряжения отличаются от первоначальных 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 особенно большое значение имеет при применении систем с обрушением, когда необрушающиеся зависающие породы могут создавать такое 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.

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. Для этого требуется выбрать такие параметры отрабатываемых блоков руды, чтобы обрушение зависающих пород наступало прежде, чем появляются опасные деформации в рудном массиве.

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 для ликвидации 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).

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.

Выбор направления фронта очистных работ необходимо согласовывать с основной системой 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 (рисунок 14.3).

При разработке месторождений с крутым углом 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 ее осуществление возрастают. Поэтому более радикальной мерой, обеспечивающей снижение опорного давления, является отработка блоков такими размерами, чтобы после их выемки происходило самообрушение пород.

Рисунок 14.3. Схема принудительной посадки пород глубокими скважинами: 1 - массив руды; 2 - обрушенные породы; 3 - глубокая скважина.

Если налегающая толща представлена устойчивыми породами, то развитие естественного самообрушения затрудняется и поэтому, как правило, неизбежны опасные зависания подрабатываемого массива. Принудительное обрушение кровли неэффективно, так как после него самообрушения пород до поверхности не происходит. 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) γ Н 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 (рисунок 14.4).

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 рисунке 14.4.

Рисунок 14.4. Схема опережающей отбойки подэтажей при системе этажного принудительного обрушения: 1 — откаточный орт; 2 — выпускная воронка; 3 - подсечная выработка; 4 -отбитая руда; 5 - обрушенные породы; б - 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.

Из других примеров надработки при системе этажного принудительного обрушения следует привести 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 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 системахс обрушением блоки руды отрабатываются 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 (рисунок 14.5, положение 1)при двухстадийной — на оставляемые временные целики (положения 2, 3).На целики его величина бывает в 1, 5-2, 0 раза выше, чем на массив. Отмечается, что при сохранении целиками жесткости напряжения выше в целике, прилегающем к выработанному пространству (положение 3).

Рисунок 14.5. Распределение опорного давления: 1 - при одностадийной выемке; 2 и 3 - при двухстадийной выемке соответственно с одной и двумя компенсационными камерами; σ - действующие на целик и массив напряжения.

Величина коэффициента опорного давления зависит от соотношения 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. Поэтому одностадийную выемку целесообразнее применять при более слабых породах. При прочных нетрещиноватых породах, когда целики сохраняют свою устойчивость, более предпочтительна бывает двухстадийная выемка.

Коэффициент опорного давления можно определить из выражения

, (14.8)

где λ — коэффициент, зависящий от условий разработки (находится экспериментально).

Принимая во внимание, что , можно определить максимальное значение действующего напряжения σ _Z в зоне опорного давления при разработке до выхода обрушения на поверхность из формулы (14.8), подставив в нее значение К_о.

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

- на массив руды при одностадийной выемке

; (14.9)

- на целики при двухстадийной выемке

; (14.10)

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

Предельная глубина применения двухстадийной выемки может быть найдена после преобразований выражения (14.10) по формуле

, (14.11)

где ξ - коэффициент ползучести пород ξ = 0, 5÷ 0, 7; , 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.

Основная литература: [1.7.1, с.110-117]; [1.7.2, с.158-169]; [1.7.3, с.109-119]

Дополнительная литература: [1.7.8, с.255-269]

Контрольные вопросы

1. В чем заключаются основные особенности управления горным давлением путем обрушения пород? Когда применяется обрушение пород?

2. Какие формы определяют механизм сдвижения и обрушения пород? Охарактеризуйте их влияние на земную поверхность.

3. Возможно ли сохранение дневной поверхности при разработке месторождений с обрушением пород? Как определить безопасную глубину работ?

4. Объясните механизм сдвижения горных пород. Какими параметрами характеризуется процесс сдвижения пород?

5. Дайте характеристику отдельных стадий обрушения пород. Какие факторы влияют на шаг обрушения пород при установившемся характере их движения?

6. В чем заключается взаимосвязь параметров опорного давления с
обрушением пород? Какие меры применяются для снижения и предотвращения
вредного воздействия опорного давления на массив?

7. Дайте сравнительную характеристику распределения опорного давления при одно- и двухстадийной отработке блоков.

⇐ Предыдущая12345678910

Поделиться: