Тема лекции 2. Состав, строение и физические свойства горных пород

Конспект лекционных занятий

Тема лекции 1. Введение. Содержание курса. Основные понятия и определения

Курс «Управление состоянием массива» направлен на ознакомление с подходами и методами решения практических задач геомеханики, с которыми сталкиваются горняки в своей повседневной деятельности.

Под управлением состояния массива горных пород следует понимать регулирование характера и параметров геомеханических процессов с целью повышения безопасности горных работ и их эффективности. Регулируя развитие геомеханических процессов в массиве пород, стремятся достичь такого положения, чтобы процессы развивались в безопасном направлении и их параметры находились в пределах заранее установленных безопасных величин.

Основным объектом исследований является породный массив, а точнее, механические процессы, происходящие в массиве и связанные с проведением в нём горных выработок.

Массивы горных пород образуют особые физические среды, состояние которых определяется тремя составляющими:

1 - свойствами горных пород;

2 - структурными особенностями;

3 - естественным напряженным состоянием.

Управление состоянием массива пород необходимо осуществлять на всех стадиях освоения месторождений полезных ископаемых или подземного строительства.

На стадии составления проекта разработки месторождения это проявляется в виде выбора системы разработки, определения параметров отдельных элементов систем, установления рационального порядка отработки месторождения, определения оптимального расположения и ориентации выработок в пространстве, обоснования мероприятий по их поддержанию, обоснованию общей организации горных работ, обоснования системы контроля состояния массива (геомониторинга), а также оценки изменения экологической обстановки в районах разработки месторождений полезных ископаемых.

На стадии эксплуатации горных предприятий это проявляется в виде корректировки положений проекта по результатам уточнённой информации о реальных свойствах и состоянии массива пород, а также оперативной разработки и реализации необходимых мероприятий по предотвращению негативных последствий разработки месторождений.

На стадии ликвидации горных предприятий или их консервации – в виде прогноза развития геомеханических процессов после окончания горных работ, обоснования предложений по использованию высвобождающегося подземного пространства в народном хозяйстве, а также для оценки степени реабилитации эксплуатировавшихся территорий и массивов пород.

К настоящему времени разработаны научные подходы к управлению геомеханическими процессами при освоении недр. По мере усложнения горно-геологических и гидрогеологических условий осваиваемых месторождений полезных ископаемых, а также вследствие повышения экологических и экономических требований к недропользованию, становится всё более очевидным, что наиболее эффективными методами управления геомеханическими процессами в массиве пород являются методы целенаправленного выбора технологических процессов разработки месторождений.

В рамках данного курса мы будем рассматривать методы управления состоянием массива пород, главным образом, геомеханическими процессами применительно к вопросам подземной разработки месторождений.

На практике при разработке месторождений полезных ископаемых в настоящее время применяют следующие основные способы управления состоянием массива горных пород:

1. Крепление выработок и выработанного пространства. Применяют для капитальных и подготовительных горных выработок. Для очистных выработок применяют в случае, когда полезное ископаемое и вмещающие породы неустойчивы и требуют поддержания. В качестве крепи используют деревянные стойки и костры; каменную бутовую и кирпичную кладку; монолитный бетон и бетонные полосы; столбы, металлические конструкции и стойки; механизированную ограждающую крепь, анкерную крепь и набрызг-бетон и др. Назначение крепи заключается в снижении деформаций и предотвращении разрушений (отслоений, вывалов, трещинообразования) обнажённых пород призабойного пространства в течение определённого времени, необходимого для производства работ.

2. Поддержание выработанных пространств целиками. Этот способ заключается в обеспечении устойчивого равновесия массива подработанных пород и предотвращении обрушения земной поверхности. Месторождения в этом случае отрабатывают системами с открытым очистным пространством, сущность которых заключается в выемке камер и оставлении прочных целиков между ними.

Рассматриваемый способ управления состоянием массива горных пород применяют тогда, когда полезное ископаемое и породы обладают высокой устойчивостью при сравнительно невысокой ценности полезного ископаемого, а также при необходимости сохранения земной поверхности (при наличии объектов подлежащих охране). При отработке высокоценных руд целики могут заменяться надёжными искусственными опорами (бетонными, каменными).

3. Поддержание выработанного пространства временно оставляемой (магазинированной) отбитой рудой. При этом способе, применяемом для отработки маломощных крутопадающих (жильных) месторождений, в процессе отработки блоков 60-70% отбитой руды временно оставляют в выработанном пространстве для поддержания обнажений висячего и лежачего боков, склонных к частичным вывалам и обрушениям. В целом, руды и породы должны быть достаточно устойчивыми, чтобы в очистном забое кровля и бока не обрушались и обеспечивали безопасное ведение очистных работ.

4. Закладка выработанного пространства. В неустойчивых, склонных к обрушению породах после выемки (или одновременно с выемкой) полезного ископаемого для предотвращения опасных деформаций выработанное пространство заполняют закладочным материалом. В качестве закладочных материалов используют дроблёные пустые породы, песок, гравий, шлаки металлургических заводов и электростанций, хвосты обогатительных фабрик. Наиболее надёжным средством поддержания являются твердеющие (бетонные) смеси при условии полного подпора кровли выработанного пространства закладочным материалом и своевременного выполнения работ по закладке.

5. Управление состоянием массива посредством обрушения пород. Сущность этого способа заключается в последовательном обрушении налегающей толщи пород вслед за подвиганием очистных работ. В связи с тем, что в результате выемки полезного ископаемого и подработки пород увеличивается опорное давление на прилегающий массив и возрастает опасность недопустимого деформирования (даже раздавливания) пород необходимо периодически снижать величину опасных напряжений путём обрушения подработанной толщи пород.

Обрушение может быть частичным (обрушается только нижняя пачка пород - непосредственная кровля или часть вышележащей толщи пород) или полным (в процесс обрушения вовлекается вся толща пород до земной поверхности). Вполне очевидно, что во втором случае происходит основная разгрузка прилегающего массива горных пород.

Способ управления состоянием массива самообрушением пород под действием их собственного веса применяют в случае слабых неустойчивых и трещиноватых пород при полезном ископаемом различной прочности. Если же вмещающие породы достаточно устойчивы, то подработанные породы обрушают принудительно путём взрывания скважин либо сосредоточенных (минных) зарядов. К принудительному обрушению пород часто прибегают в начальный период очистной выемки, для ликвидации зависаний подрабатываемых пород. С развитием фронта очистных работ и увеличением площадей подработки создаются обычно более благоприятные условия самообрушения пород с определённым шагом.

С целью создания благоприятных условий для самообрушения пород отработка месторождений должна осуществляться без оставления каких-либо постоянных целиков сплошным фронтом, в направлении от средней части месторождения к флангам.

Перечисленные способы управления состоянием массива пород в каждом конкретном случае выбирают с учётом вероятности динамических проявлений горного давления, вредного воздействия температурных, гидро- и газодинамических факторов.

Основная литература: [1.7.1, с.5-17]; [1.7.3, с.5-15]

Контрольные вопросы:

1. На каких стадиях освоения месторождений осуществляется управление состоянием массива пород?

2. Какие способы управления состоянием массива пород при разработке месторождений полезных ископаемых применяют на практике в настоящее время?

 

Формы разрушения выработок

В зависимости от природного напряженного состояния массива, в котором ведется проходка, формы разрушения выработок могут быть различными. Рассмотрим возможные варианты.

Общие сведения

В классе систем разработки месторождений полезных ископаемых с искусственным поддержанием выработанного пространства выделяются группы систем:

- с закладкой выработанного пространства;

- с магазинированием;

- с креплением очистного пространства.

Все указанные системы относительно дороги, но при правильной технологии и оптимизированных параметрах обеспечивают малые потери и разубоживание полезного ископаемого.

Системы применяются в сложных горно-геологических условиях, при разработке ценных полезных ископаемых и в случаях, когда необходимо предотвращать или минимизировать вредные влияния подземной разработки на опасные или важные народнохозяйственные объекты.

Для поддержания подрабатываемого массива горныхпород выработанное пространство вслед за выемкой руды ( или черезнекоторое время) заполняется закладочным материалом.

Вкачестве закладочного материала используются дробленые горные породы, хвостыобогатительных фабрик, шлаки металлургических заводов или зола тепловых электростанций, твердеющие или бетонные смеси, песок, глина и др. Отдельные компоненты, закладочных смесей могут быть несвязными между собою ним скрепленными вяжущими материалами (твердеющая закладка).

Для повышения плотности создаваемого искусственного массива специальноподбираются крупность кусков и фракционный состав смесей.

Все методы закладки выработанного пространства делятся в зависимости от способа транспортирования закладочного материаладо места его укладки (самотечная, механическая, пневматическая, гидравлическая).

Самотечная закладка применяется при разработке крутопадающих месторождений, когда закладочный материал может размещаться в выработанном пространстве под действием собственной силытяжести. Для достижениявысокой плотности закладочного массива рекомендуется принимать максимальный размер куска не более 250-300 мм, при этом содержание мелких частиц должна быть до 10-15%, а фракция от 0 до 20 мм - до 30%. Содержание глинистых пород не должно превышать20%. Для сниженияпылеобразования и увеличения плотности укладки закладочную смесь увлажняют. При мелкокусковом материале усадкадостигает 15-25 %. При крупнокусковом — до 30-40 %. Поэтому требуется периодическая дозакладка камер.

При механическом способе закладки применяются специальные метательные закладочные машины, скреперные установки, конвейеры, самоходные машины. В качестве закладочных материалов используются различные сыпучие материалы с размером кусков до 80-100 мм (при метательных машинах) и до250-300 мм (при других способах доставки). Усадка закладочного массива в первом случае составляет 20-30%, а в других - до 30-40%.

Для пневматической закладки требуются более мелкие дробленые материалы с размером частиц до 30-40 мм и содержанием глины не более 10-15%. Доставка и размещение закладочного материала в выработанном пространстве производится за счет энергии струи сжатого воздуха. Значительная скорость движении частиц материала (до 30-40 м/с) обеспечивает более высокую плотность укладки (усадка составляет 10-15%), особенно при увлажнении материала.

На практике наиболее часто применяется гидравлическая закладка выработанного пространства песками, гранулированными обесшламленными хвостами обогатительных фабрик с содержанием 10-15% илистых фракций (для меньшего износа труб при транспортировании материала). После обезвоживания размещённого в отработанных камерах материала образуется довольно плотный искусственный массив с небольшой (до 5-10%) усадкой, плотно подпирающий обнаженные стенки камер. Дозакладка пустот после усадки материала может обеспечить надежное подбучивание кровли камер.

Виды и назначение закладки

В зависимости от свойств и состояния закладки можно выделить три её разновидности: сухую, гидравлическую и твердеющую. Две первые представляют собой совокупность несвязных между собой частиц.

В случае сухой закладки материал доставляется к закладываемой выработке в сухом виде и укладывается в неё простой насыпью, размещаясь только под действием гравитационных сил или с использованием механизмов.

Сухая закладка представляет собой, чаще всего, породу от горнопроходческих работ (иногда — дробленую). Она используется для заполнения подземных пустот, не имеющих непосредственного контакта с телом полезного ископаемого.

В отдельных случаях сухой породой закладывают камеры между рудными целиками, которые проектом предусмотрено оставлять в недрах в виде потерь. Иногда, теперь уже в редких случаях, сухую породу в качестве закладки используют в системах разработки горизонтальными слоями с восходящим порядком отработки слоев. При этом на каждом слое рудные стенки отделяются от массива закладки крепью или обшивкой.

Материал гидравлической закладки представляет собой смесь сыпучих частиц с водой (тонкий или молотый песок, хвосты обогащения и т.п.). Эта смесь хорошо транспортируется с водой по трубам на значительные расстояния и плотно укладывается в закладываемых камерах. При этом вода затем самотеком дренируется из уложенного закладочного массива через специальные дренажные устройства.

Чтобы уложенный массив хорошо дренировал воду, материал перед подачей в трубу очищают в гидроциклонах от пылевидных и глинистых частиц. Однако и эта мера не гарантирует образование несдренированных зон, в которых массив имеет псевдоплывунную консистенцию, опасную в определенных условиях по прорыву. Особенно высока вероятность образования таких зон при соотношении высоты камеры h к ее пролету b в пределах 0, 5 < h/b < 2. Это должно учитываться при укладке смеси в камеру и организации дренажа воды.

Остаточная влажность массива гидрозакладки колеблется в довольно широких пределах (от 5 до 25 %) и зависит от многих факторов, в том числе от гранулометрического состава твердой фазы и объема закладываемой выработки. Наибольшую прочность на срез имеет уложенный в массив материал с капиллярной влажностью, т.е. порядка 10-12 %. Плотность заложенного массива зависит от его гранулометрического состава. В свою очередь, от плотности зависит его прочность. Оптимальным считается заполнитель, гранулометрический состав которого обеспечивает наименьшее расстояние между частицами.

В любом случае необходимо стремиться к достижению наибольшей усадки закладочного массива при его сооружении, так как, во-первых, от этого зависят его плотность и прочность, а во-вторых, последующая усадка его (при выполнении им функциональной роли) может негативно отразиться на состоянии элементов системы разработки, в составе которых находится закладочный массив.

С точки зрения технологии очистных работ время усадки закладочного массива желательно свести к минимуму. С целью ускорения этого процесса иногда прибегают к специальным мерам. Среди них эффективной мерой является уплотнение массива действием взрыва.

Практика работы предприятий показывает, что отбойка руды взрывным способом непосредственно у закладочного массива вызывает его усадку на 20-25 %. В этом отношении показателен опыт применения отбойки руды в зажиме: отбитая и замагазинированная руда уплотняется взрывом скважин на 25-35 %, при этом уплотнение распространяется на 20-25 м в глубину отбитой рудной массы при сравнительно небольших взрываемых зарядах (1-1, 5 т).

Сухая и гидравлическая закладки используются, главным образом, для выполнения вспомогательных или не очень ответственных функций в технологических процессах очистных работ. Это объясняется, прежде всего, тем, что обе разновидности закладки массива не могут самостоятельно выполнять роль несущей конструкции (или несущего элемента в конструкции систем разработки в целом).

Только в отдельных случаях удается создать массив гидрозакладки высокой плотности, который может воспринимать определенные нагрузки. Для оценки величины этих нагрузок предложены зависимости, в которые в качестве параметров входят плотность, влажность и начальная прочность гидрозакладки, плотностные и деформационно–прочностные характеристики массива пород, глубина отработки и параметры закладываемой камеры, технологические параметры закладки - высота закладочного слоя, величина недозакладки, коэффициент компрессии закладочного массива.

Принципиальным отличием массива твердеющей закладки от сухой и гидравлической закладки является способность её не только самостоятельно сохранять свою форму и свойства, но и нести различные нагрузки. Эти особенности твердеющей закладки оказали революционизирующее влияние на совершенствование применявшихся и создание новых способов выполнения очистных работ при добыче полезных ископаемых.

Твердеющая закладка применяется для создания монолитных искусственных целиков (столбов), ограждающих подпорных стенок, перемычек, искусственных массивов.

Твердеющие закладочные смеси включают вяжущие материалы, инертные заполнители, воду и пластификаторы. В качестве вяжущего наиболее часто применяются различные цементы (шлаковые, пуццолановые и портландцемент) вчистом виде или как активизирующие добавки к другим более слабым вяжущим материалам. Портландцемент и шлакопортландцемент в своем составе имеют СаО, SiO₃, Аl₂O₃, Fе₂О₅, МgO, SO₃, (в различных сочетаниях), схватываются в течение 6-12 ч. и через 28 сут. набирают прочность па сжатие от 3 до 4 МПа.

На прочность искусственного массива большое влияние оказываетплотностьукладки, т.е. заполнение промежутков между крупными кусками мелкозернистым инертным материалом и вяжущим.

Наиболее часто в качестве заполнителей, кроме дробленыхгорных пород, применяются пески с примесью глины в объеме - 5-10%, которая выполняет роль пластификатора. Считается, что наиболее строгим требованиям отвечает крупный песок, в котором не менее 20-35%зерен имеют размер 0.30-0.15 мм, что обеспечивает наиболее полное заполнение пустот между крупными фракциями и, следовательно, сокращает расход вяжущего.

В качестве дроблёных горных пород наиболее широко используются породы отвалов. Прочность этих пород обычно выше нормативной прочности искусственных закладочных массивов, а гранулометрический состав включает большой объём (40-60%) фракций крупностью менее 40 мм, которые могут быть сразу использованы для приготовления закладочных материалов без дополнительного дробления. Очень важно, чтобы они не были склонны к самовозгоранию и не содержали большого количества глины (не более 20%).

Хвосты обогатительных фабрик содержат различные минералы (кварц, полевой шпат и др.) и состоят из частиц размером от 0, 1 до 2, 0 мм. Перед смешиванием с другими компонентами их обезвоживают и отделяют от флотореагентов. Шлаки металлургических заводов могут примениться в смеси с песком и дроблеными породами.

Для закладочных материалов прочностью от 1, 0 до 5, 0 МПа соотношение между цементом и инертным заполнителем, соответственно изменяетсяот 1: 30 до 1: 5.

Основная литература: [1.7.3, с.82-87]

Дополнительная литература:

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте роль закладки как средства управления состоянием массива породу перечислите методы ведения закладочных работ.

2. Назовите разновидности закладки.

3. Способы транспортирования закладочного материала.

Общие сведения

Магазинирование полезного ископаемого — накопление отбитого полезного ископаемого очистной выработке. Различают полное магазинирование полезного ископаемого, если оно ведётся на всю высоту этажа (блока) или частичное (слоевое), если оно ведётся в пределах отдельных частей блока. Магазинирование полезного ископаемого составляет технологическую основу специального класса систем разработки.

Системы с магазинированием применяются на залежах полезных ископаемых с углами падения свыше 55°, мощностью от 0, 5 до 3, реже 5 м, с выдержанными элементами залегания и устойчивыми боковыми породами. Ограничивающий фактор — склонность полезного ископаемого к слёживанию и самовозгоранию.

Вследствие разрыхления полезного ископаемого при отбойке часть его (около 30%) выпускают, оставляя свободным рабочее пространство высотой около 2 м. Подсекают магазин и формируют воронки сразу по всей длине блока. Цикл очистной выемки включает бурение комплекта шпуров, их взрывание, проветривание, выпуск излишков полезного ископаемого и разработку потолочины.

Безопасность работы в забое в случае шпуровой отбойки обеспечивается сравнительно небольшим расстоянием между отбитой рудой и кровлей забоя (до 2.0–2.5 м), а также предварительной оборкой стенок и кровли очистного пространства с целью предотвращения вывалов и отслоений. Иногда устанавливаются деревянные распорки или анкерная крепь. Если недостаточно устойчивые породы висячего (а иногда и лежачего) бока не укреплять, то при окончательном выпуске полезного ископаемого из магазина возможны интенсивные отслоения пород, приводящие к значительному разубоживанию.

Когда фронт очистной выемки достигнет границы подштрекового целика, приступают к выпуску всего замагазинированного полезного ископаемого через воронки и рудоспуски. После этой операции выработанное пространстве оставляют открытым или заполняют пустой породой.

Общие сведения

Сущность этого способа разработки заключается в том, что вслед за выемкой полезного ископаемого сразу или с некоторым отставанием налегающие породы обрушаются принудительно или под действием собственного веса. Характерной особенностью всех систем с обрушением является сплошная отработка шахтных полей без оставления внутризабойных, 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 напряжения 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.

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 системразработки, в частности, величин деформаций поверхности, последовательности и шага обрушения пород, величины опорного давления на краевую часть массива др.

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.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: