Определение размеров допустимых обнажений кровли очистных пространств

В кровле очистных выработок, особенно в областях, примыкающих к целикам, могут образовываться зоны действия высоких сжимающих напряжений. Это может иметь место, когда очистные выработки располагаются в однородных или близких по деформационно-прочностным характеристикам породах, и при этом целики полностью сохраняют сцепление с массивом пород по своим основаниям.

Таким образом, задача об определении параметров устойчивых очистных выработок может быть сведена к нахождению размеров предельных обнажении пород в кровле выработок.

В основе определения предельных размеров обнажении пород лежат предрасчеты напряженно-деформированного состояния пород вокруг очистных выработок и сравнение их с соответствующими критериями. В качестве таких критериев могут быть приняты либо деформации и напряжения, либо размеры областей или зон, где проявляются, концентрируются опасные деформации и напряжения.

Оба вида критериев используют, например, в методах оценки устойчивости кровли очистных выработок, разработанных профессором В. Д. Слесаревым.

При этом в основу подхода В.Д. Слесарева положено понятие об эквивалентном предельном пролете, под которым подразумевается ширина выработки неограниченной длины, устойчивость которой эквивалентна устойчивости кровли выработки произвольной формы.

Величина эквивалентного пролета обнажения, защемленного по всему периметру, В.Д. Слесарев предложил определять по формуле

, (8.1)

где a, b – размеры сторон обнажения, м.

При этом критерием устойчивости обнажения принимается неравенство

L ≤ l _пр, (8.2)

где l _пр предельный перед обрушением пролёт выработки неограниченной длины, определяемый расчётным или опытным путём.

На основе изложенного подхода были предложены различные эмпирические формулы для разнообразных горно-геологических условий.

Величина предельного пролёта горизонтального обнажения пород в кровле очистных камер в нетрещиноватых однородных породах может быть вычислена, исходя из параметров свода обрушения над выработкой, по формуле

, (8.4)

где σ _р – предел прочности пород на растяжение, МПа; γ – плотность пород в кровле, т/м³.

В случае трещиноватых пород величина предельного пролёта горизонтального обнажения пород в кровле очистных камер вычисляется с учётом коэффициента структурного ослабления трещиноватого массива λ

, (8.5)

В формулах (8.4) и (8.5) в качестве параметра используется только предел прочности пород на растяжение, т. е. учитывается только один из возможных видов разрушения — отрыв при действии растягивающих напряжений.

На практике образование зоны растягивающих напряжений, а, следовательно, и области возможного разрушения кровли в результате отрыва пород предотвращают, оформляя кровлю очистных камер в виде свода Параметры свода для камер с отношением высоты (b) к пролету (l) до 1/10 приближенно можно устанавливать из условия

, (8.6)

где b — стрела подъема свода; l — пролет очистной выработки.

Вместе с тем в реальных условиях разрушения в массивах горных пород происходят и при действии сжимающих напряжений в форме сдвига или скола, в первую очередь, по контактам структурных неоднородностей того или иного порядка.

Инструментальными измерениями установлено, что вокруг очистных выработок, как и вокруг подготовительных, образуется зона нарушенных пород, в пределах которой наблюдаются раскрытые трещины и частично нарушается связь между структурными блоками. В результате создается реальная опасность вывалов пород. Для скальных массивов предельный безопасный размер зоны нарушенных пород от контура очистной выработки вглубь массива составляет 0, 4 м.

Для условий очистных выработок проводить оценку устойчивости только по параметрам зоны нарушенных пород недостаточно, поскольку вследствие больших площадей обнажения пород в них возможны вывалы и обрушения блоков плитообразной формы. В этих случаях при незначительной высоте вывалов поперечные размеры их в плане могут быть очень велики. Подобные обрушения весьма опасны, так как помимо непосредственной угрозы людям они могут вызывать разрушительные воздушные волны и создавать опасные напряжения в массиве от удара обрушившихся масс. Вследствие этого при определении размеров предельных обнажений в очистных выработках необходимо задаваться не только критическим размером зоны нарушенных пород, но и максимально допустимыми линейными размерами (в плане) отдельных вывалов и обрушений.

Линейные размеры вывалов (в плане) находятся в определенной взаимосвязи между собой и, кроме того, определяются соотношениями объемного веса пород, напряжений распора структурных блоков и коэффициентов трения по контактам структурных неоднородностей, ограничивающих эти структурные блоки.

Эти соотношения в первом приближении могут быть выражены следующим условием образования вывалов

, (8.7)

где а и b — поперечные размеры возможных вывалов или обрушений (в плане); Р — распор структурных блоков; f_o — коэффициент трения по поверхностям структурных неоднородностей; g - объёмный вес пород.

Во многих случаях непосредственную опасность могут представлять вывалы пород и из стенок выработок, особенно для условий большепролетных подземных сооружений типа машинных залов гидроэлектростанций, туннелей и т. д. При этом, в отличие от кровли, размеры вывалов из стенок выработок определяются лишь одним параметром — размером вывала вдоль выработки, но в предположении наличия горизонтальных естественных трещин, по которым возможен отрыв выпадающего блока.

Аналитически это выражается формулой

, (8.8)

где d - угол наклона плоскостей эффективных структурных неоднородностей (в частном случае, углы падения крупноблоковых естественных трещин для очистных выработок или подземных сооружений)

Кроме рассмотренных, известны способы расчета устойчивых обнажений кровли очистных выработок на основе определения разрушающих нагрузок.

При этом, выполняя расчеты устойчивости кровли камер по разрушающим нагрузкам, следует вводить в расчетные размеры необходимый коэффициент запаса, обеспечивающий надежность использования расчетных параметров. На практике коэффициент запаса принимают обычно равным 2-3, а для особо ответственных случаев и больше.

Помимо рассмотренных основных факторов, определяющих устойчивость пород в выработках, предельные размеры обнажении зависят и от ряда других факторов, учет которых может представлять иногда существенные трудности. К этим факторам относятся, например, снижение деформационно-прочностных характеристик пород с течением времени, влияние взрывных работ и др. Поэтому в практике в качестве наиболее надежного способа определения параметров устойчивых обнажений широко применяют производственные эксперименты. Сущность таких экспериментов заключается в постепенном увеличении пролетов камер до предельных, устанавливаемых по критическому состоянию кровли (до первого обрушения кровли или до заданной величины ее прогиба).

Например, подобными экспериментами и практикой горных работ установлено, что на рудниках Жезказгана устойчивыми являются пролеты камер:

- если кровля представлена серыми песчаниками - 15 м;

- если кровля сложена красноцветными породами - 12¸ 13 м.

На Белоусовском руднике (филиал ВостокКазмедь) при разработке пологих участков залежей камерно-столбовой системой устойчивые пролеты камер по многолетнему практическому опыту (разработку Белоусовского месторождения ведут уже более 200 лет) составляют 7¸ 8 м.

Путем обобщения практического опыта применительно к тем или иным конкретным условиям месторождений составляются частные классификации пород по устойчивости кровли. Основой этих классификаций обычно служат качественные признаки: петрографический состав, структурные и текстурные особенности пород, глубина заложения выработок, гидрогеологические условия и др.

Так, академик М И. Агошков подразделяет горные породы по устойчивости кровли на 5 групп:

1. Породы весьма неустойчивые, не допускающие даже незначительных обнажений в кровле и боках выработки без крепления, т. е. требующие, как правило, применения опережающей крепи.

2. Породы неустойчивые, допускающие небольшие обнажения кровли и боков, т. е. требующие поддержания непосредственно вслед за выемкой.

3. Породы средней устойчивости, допускающие обнажения на относительно большой площади, т. е не требующие поддержания их сразу вслед за выемкой.

4. Породы устойчивые, допускающие значительные обнажения и требующие поддержания только в отдельных местах или через некоторые интервалы.

5. Породы весьма устойчивые, допускающие весьма большие обнажения без крепления.

Классификацию пород кровли по устойчивости с учетом времени существования обнажений приводит профессор А. А. Борисов. В этой классификации породы разделены на неустойчивые, слабоустойчивые, среднеустойчивые, устойчивые и весьма устойчивые.

На эксплуатируемых месторождениях со стабильными горно-геологическими и горнотехническими условиями отнесение пород к той или иной группе (классу) рассмотренных классификаций больших трудностей обычно не представляет.

Основная литература: [1.7.1, с.84-100]; [1.7.4, с.99-106]

Дополнительная литература: [1.7.9, с.101-105]

Контрольные вопросы

1. Какова основная цель оставления целиков с геомеханической точки зрения при проведении горных работ?

2. Почему при определении оптимальных параметров систем разработки в общем случае необходимо рассматривать напряженно-деформированное состояние системы «почва очистной выработки – целик – кровля очистной выработки – толща вышележащих пород – дневная поверхность»?

3. Что такое лимитирующий элемент?

4. Основные принципы определения предельных размеров обнажений пород в очистных выработках в условиях скальных пород.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: