Снижение и предотвращение опасных проявлений горного давления и способы борьбы с ними

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.

Основанием для установления параметров отработки, достаточных для самообрушения пород, являются специальные исследования в произ­водственных и лабораторных условиях.

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 прямым 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.

Схема принудительной посадки пород глубокими скважинами:

1 - массив руды; 2 - обрушенные породы; 3 - глубокая скважина

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

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.

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) γH 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.

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 /, V, VII) производить опережающую отбойку верхних подэтажей (//, 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 и блоке по высоте делать ступенчатой или наклонной в сторону висячего бока, как это показано на рис.

Схема опережающей отбойки подэтажей при системе этажного прину­дительного обрушения:

1 — откаточный орт; 2 — выпускная воронка; .3 -- подсечная выработка; 4 -отбитая руда; 5 - обрушенные породы; 6 - линия сдвижения породной консоли; 7 - эпюра опорного давления до обрушения консоли; 5 - 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 системах с 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 образования компенсационных камер.

Максимум опорного давления при одностадийной выемке приходится на призабойный рудный массив (рис. положение 1) при двухстадийной – на оставляемые временные целики (положение 2 , 3) На целики его величина бывает в 1,5-2,0 раза выше, чем на массив. Отмечается, что при сохранении целиками жестокости напряжения выше в целике, прилегающем к выработанному пространству (положение 3).

Величина коэффициента опорного давления зависит от соотношения пролета выработанного пространство L к глубине разработке H. Нашли исследования на моделях из эквивалентных материалов показали, что при одинаковой величине L/H коэффициент опорного давления К₀ниже при одностадийной выемке. Поэтому одностадийную выемку целесообразнее применять при более слабых породах. При проч­ных не трещиноватых породах, когда целики сохраняют свою устойчи­вость, более предпочтительна бывает двухстадийная выемка.

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

Зависимость коэффициента опорного давления К₀ от соотношения L/Н:

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

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 горного давления, 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.

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 низко модульным мате­риалом.

Управление обрушением пород при податливых целиках

При отработке пологих калийных пластов системой длинными столбами с обрушением для предотвра­щения опасного трещинообразования водоупорной глинистой толщи применяется плавная посадка вышележащих пород. Оставля­ются податливые целики шириной 3 м; 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.

Поперечное сечение разгружающего штрека, пройденного в слабых поро­дах:

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

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 03—1,8 м в кровли, почве и боках в зависимости от предполагаемой зоны формирования пластических деформаций. 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.