И обнажений пород в очистных выработках.

Физические процессы

Лекция 16.

6 часов

УСТОЙЧИВОСТЬ ЦЕЛИКОВ И ОБНАЖЕНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД.

Основные принципы определения размеров устойчивых целиков

и обнажений пород в очистных выработках.

Под устойчивым понимают такое состояние выработок, когда без дополнительных мероприятий обеспечивается безопасность работающих людей и нормально выполняется технологический цикл.

На основе общих представлений механики устойчивость какой-либо системы может быть охарактеризована условиями, обеспечивающими сохранение ее состояния в течение заданного времени. Применительно к горным выработкам устойчивость можно определить как способность сохранения, во-первых, формы и, во-вторых, размеров выработки, обеспечивающих ее эксплуатацию в течение необходимого периода.

Очевидно, в такой постановке вопроса устойчивое состояние выработок определяется соотношением действующих в массиве пород напряжений и деформационно-прочностных свойств пород. Вследствие этого для каждого сочетания горно-геологических условий существуют определенные размеры обнажений пород в выработках, при превышении которых выработки приходят в неустойчивое состояние и их эксплуатация становится небезопасной. В подобных случаях параметры элементов систем разработки либо выбирают таким образом, чтобы обнажения пород не превышали критических размеров для действующего в элементах уровня напряжений, либо упрочняют эти элементы, применяя различные виды крепи или другие мероприятия.

С целью регулирования размеров обнажений пород в выработанных пространствах часто оставляют целики, т. е. нетронутые участки рудного тела, пласта или вмещающих пород. При этом в зависимости от применяемой технологии целики или извлекают после отработки основной части полезного ископаемого на участке, горизонте, или же оставляют в недрах, что, естественно, приводит к увеличению потерь полезных ископаемых. Извлечение целиков, как правило, сопровождается трудностями в организации и обеспечении работ, а иногда требует применения специфических систем разработки.

С геомеханической точки зрения назначением целиков является предотвращение развития недопустимых деформаций в массиве окружающих пород и предотвращение увеличения размеров зон разрушения. В зависимости от того, для охраны каких объектов они предназначены и каковы сроки их существования, целики подразделяют на несколько видов.

Целики, предназначенные для охраны сооружений поверхностного комплекса или других основных сооружений шахт и рудников от вредного влияния очистных работ, называют предохранительными, срок их службы составляет обычно несколько десятилетий и часто совпадает с общим сроком эксплуатации горнорудного предприятия.

Для охраны капитальных вскрывающих выработок (стволов, штолен, штреков или квершлагов) оставляют соответствующие охранные целики (околоствольные, околоштольневые и т. д.). Срок их службы также весьма длителен и, как и в первом случае, может достигать нескольких десятков лет.

Для поддержания очистных пространств, предохранения подготовительных выработок, а также для исключения влияния очистных работ на соседних участках оставляют временные целики. Это наиболее массовый вид целиков, срок их существования обычно составляет несколько лет, т. е. соизмерим с периодом отработки отдельных участков, блоков или камер.

В случаях, если оставляют целики излишне больших размеров, это приводит к неоправданным потерям, если же размеры целиков недостаточны, то происходит их разрушение, которое влечет за собой перераспределение напряжений в окружающем массиве пород, часто в обширных областях. При этом разрушение целиков на одном участке может вызвать лавинообразное разрушение целиков на соседних участках. С этой точки зрения оставление недостаточных по размерам целиков может приводить к гораздо большим трудностям, нежели ведение работ вообще без оставления целиков.

Все многообразие пространственных схем расположения целиков, встречающихся при разработке пластовых и рудных месторождений, может быть сведено к следующим основным случаям:

а) неограниченная периодическая последовательность одинаковых по своим размерам и формам междукамерных, околоштрековых и других целиков;

б) неограниченная периодическая последовательность целиков различных размеров и формы;

в) бессистемное расположение целиков различных размеров и конфигурации;

г) одиночные целики различных параметров.

При этом по конфигурации горизонтальных сечений различают целики ленточные и столбчатые (рис. 16.1).

Рис. 16.1. Схемы поддержания очистных пространств с помощью ленточных (а) и столбчатых (б) целиков.

С точки зрения геомеханики ленточные и столбчатые целики работают в разных условиях. Ленточные - в условиях плоской деформации, столбчатые - приближаясь к условиям одноосного напряжённого состояния.

Поскольку выработанное пространство и целики образуют единую систему в массиве горных пород, их оптимальные параметры во всех случаях должны быть взаимосвязаны и взаимообусловлены. Вместе с тем, с параметрами выработанных пространств и целиков непосредственно связаны размеры областей массива пород, которые вовлекаются в процесс деформирования при разработке месторождений полезных ископаемых. Поэтому для обоснованного определения оптимальных параметров систем разработки, в том числе размеров очистных выработок и целиков, в общем случае необходимо рассматривать напряженно-деформированное состояние всей системы почваочистной выработки—целик—кровля очистной выработки—толща вышележащих пород—дневная поверхность.

В принципе, наилучшим способом исследования подобных систем являются аналитические методы и методы математического моделирования. При этом возможна оценка как состояния всей системы в целом, так и отдельных её элементов, практически, с любой степенью детальности.

Однако в практике горных работ весьма часто возникают потребности оценить состояние и выбрать оптимальные параметры каких-либо локальных элементов, не прибегая к исследованию всей указанной взаимосвязанной системы. Для подобных случаев весьма широко применяется подход, когда в каждом конкретном случае стремятся выявить наиболее слабое звено— лимитирующий элемент, устойчивое состояние которого предопределяет состояние всех остальных звеньев, и исходя из параметров этого элемента устанавливают остальные параметры элементов всей системы разработки.

Часто подобными лимитирующими элементами является кровля камер или целики, реже — почва выработок. Для последнего случая характерны явления вдавливания целиков в почву, в результате чего происходили завалы выработок на больших площадях.

Например, это имело место на одном гипсовом руднике, где добычу вели камерным способом на глубине 100 м. Размеры камер и целиков были примерно одинаковыми (по 10 м). Вынимаемая мощность пласта составляла 7 м. В кровле оставляли пачку гипса мощностью 3 м, в почве — 1,5 м. По мере увеличения площади обнажения происходило вдавливание целиков, которое сопровождалось одновременным пучением почвы и образованием трещин в пачке гипса, оставляемой в почве камер в целях повышения их устойчивости. Вдавливание целиков происходило неравномерно как по площади, так и по времени, что приводило к весьма неравномерному сдвижению и прогибу кровли и появлению в ней трещин. В результате на руднике практически мгновенно в течение нескольких минут произошло обрушение пород на большой площади, и рудник был выведен из строя.

Лимитирующим элементом может быть вышележащая толща пород. Это характерно для условий применения комбинированных систем разработки рудных тел открытым и подземным способом, а также для условий добычи легкорастворимых полезных ископаемых (например, солей) и при ведении горных работ под водоемами, когда необходимо обеспечивать устойчивость пород во избежание трещин, провалов, прорывов воды и пр.

Наконец, лимитирующим элементом может являться и дневная поверхность в случаях, когда необходимо обеспечить устойчивость наземных зданий и сооружений.

Большое влияние на характер деформирования отдельных элементов и в целом всей указанной системы почва очистной выработки — целик — кровля очистной выработки — толща вышележащих пород — дневная поверхность оказывают соотношения деформационно-прочностных свойств пород, слагающих целики, кровлю и почву очистных выработок, а также вышележащую толщу. Весьма существенны также характер и свойства контактов целиков с кровлей и почвой выработок.

В данной главе рассмотрим наиболее массовые случаи практики горных работ, когда лимитирующими элементами являются кровля очистных выработок и целики. Методы определения параметров предохранительных и охранных целиков, когда лимитирующими элементами являются вышележащая толща пород и дневная поверхность будут освещены позже, при рассмотрении вопросов сдвижения горных пород при разработке месторождений.

Для расчета оптимальных параметров очистных выработок и целиков необходимо:

а) установить характеристики нагрузок (величины напряжений в массиве пород), действующих на элементы системы разработки, размеры которых подлежат определению;

б) на основании характеристик напряженно-деформированного состояния и сравнения их с деформационно-прочностными параметрами пород, слагающих кровлю и целики, оценить несущую способность и устойчивость этих элементов.

Первый пункт указанной последовательности операций может быть выполнен с привлечением различных методов (теоретических и экспериментальных), о которых речь шла выше. Он является необходимым при оценке несущей способности целиков и обнажений пород, но принципиальных отличий от методов определения напряженного состояния массива пород вокруг выработок не имеет. Второй пункт составляет сущность расчета оптимальных параметров целиков и обнажений пород в очистных выработках. Он в обязательном порядке включает проверку указанных элементов систем разработки на прочность и устойчивость.

Дата добавления: 2015-09-01