Определение размеров допустимых обнажений кровли очистных пространств.
При разработке месторождений полезных ископаемых лимитирующим элементом часто является кровля выработок, поскольку именно здесь, в первую очередь, возможно образование областей растягивающих напряжений, к которым особенно чувствительны массивы горных пород вследствие своих структурных особенностей и деформационно-прочностных свойств. Наряду с этим 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 [Слесарев В.Д. Крепление подземных выработок. – М.: Гостоптехиздат, 1940.].
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. Другими словами, В.Д. Слесарев сделал попытку устойчивость изометрической выработки весьма сложных неправильных очертаний привести к устойчивости протяжённой выработки с одним единственным параметром – шириной – пролётом.
Такой подход завоевал большую популярность, был оправдан достаточной простотой и наглядностью, он давал достаточно приемлемые с точки зрения практики результаты, в частности, для пластовых месторождений, где структурные неоднородности выражены несколько слабее и представлены, главным образом, контактами по слоям. В силу же этой особенности в подходах В. Д. Слесарева учитываются, главным образом, только один из возможных видов разрушения — отрыв.
Величина эквивалентного пролета обнажения, защемленного по всему периметру, В.Д. Слесарев предложил определять по формуле
a b
L = ------------,(5.1)
√a2 + b2
где a, b – размеры сторон обнажения, м.
При этом критерием устойчивости обнажения принимается неравенство
L ≤ lпр,(5.2)
где lпр 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.
Например, для условий железорудных месторождений Кривого Рога было [Инструкция по определению геометрических параметров этажно-камерных систем разработки в Криворожском железорудном бассейне. Кривой Рог: изд. НИГРИ, 1973.] установлено, что предельный эквивалентный пролет наклонного обнажения пород в камерах составляет:
a b
lпр.н = ----------,(5.3)
√a2 + b2
где a, b – соответственно размеры камер по простиранию и падению залежи, м.
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 [Фисенко Г.Л. Предельные состояния горных пород вокруг выработок – М.: Недра, 1976]
5 σр
lпр = ----------,(5.4)
2γ
где σр – 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:
5 σр
lпр = ---------- λ.(5.5)
2 γ
В формулах (5.4) и (5.5) 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
b 11
----- = ----- ¸-----(5.6)
l 45
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.
Для учета этого вида разрушения—сдвига, особенно характерного для массивов пород блочной структуры, можно использовать условия [(3.8), тема 3], которые применяют при расчете параметров зон нарушенных пород вокруг капитальных и подготовительных выработок. Применимость этих условий к очистным выработкам подтверждается натурными наблюдениями за состоянием приконтурной области массива пород вокруг очистных выработок.
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 в глубь массива составляет 0,4 м.
Рассчитывая размеры зоны нарушенных пород по формулам (3.8) и сравнивая расчетные значения с предельными безопасными, оценивают устойчивость очистных выработок. Если расчетные значения превышают критические, следует предусматривать специальные мероприятия по обеспечению устойчивости выработок — уменьшение площади обнажения пород путем оставления целиков, путём изменения размеров и конфигурации очистных камер или возведение крепи.
Глубиной распространения зоны нарушенных пород от контура выработок в сторону массива определяются также размеры возможных вывалов из кровли, в частности их высота (рис 5.1).
|
Рис 5.1. Схема действия сил на структурный блок в кровле и стенке выработки после реализации скола по поверхностям структурных неоднородностей - граням выделенных структурных блоков
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:
g11
--------³ ------ + --------(5.7)
2 f0 P a b
где а и b — поперечные размеры возможных вывалов или обрушений (в плане); Р—распор структурных блоков; fo—коэффициент трения по поверхностям структурных неоднородностей, g - объёмный вес пород.
Это неравенство в системе координат (а, b) представляет собой гиперболическую кривую, разграничивающую области устойчивых и неустойчивых обнажении.
Из параметров, входящих в зависимость (5.7), наиболее трудно определяются коэффициенты трения по поверхностям структурных неоднородностей и напряжения распора структурных блоков в пределах зоны нарушенных пород.
Экспериментальные данные о коэффициентах трения по поверхностям структурных неоднородностей практически отсутствуют. Имеющиеся единичные результаты определения коэффициентов трения для некоторых разновидностей руд и пород приведены в табл.5.1.
Коэффициенты трения некоторых горных пород и руд.
Таблица 5.1
| Тип пород (руды) | Коэффициенты трения | |
| движения | покоя | |
| Пятнистая апатитовая руда | 0.33 | 0.46 |
| Рисчоррит | 0.15 | 0.33 |
| Сфеновый ийолит | 0.26 | 0.38 |
| Ийолит-уртит | 0.25 | 0.47 |
| Мончикит | 0.19 | 0.38 |
| Луяврит | 0.25 | 0.53 |
Из табл.5.1 следует, что значения коэффициента трения движения для указанных пород колеблются в пределах 0,15 — 0,33, а коэффициента трения покоя — в пределах 0,33 — 0,47. Очевидно, для расчетов целесообразнее использовать коэффициенты трения движения с тем, чтобы возможная погрешность шла в запас прочности.
Распор структурных блоков Р пока не представляется возможным надежно измерять в натурных условиях. Однако можно предположить, что верхний его предел можно установить, исходя из горизонтальных напряжений в кровле очистных выработок, если бы зона нарушенных пород отсутствовала. При таком предположении распор структурных блоков можно приближенно оценивать по результатам аналитических определений напряженно-деформированного состояния массива вокруг очистных выработок. Распор структурных блоков может также устанавливаться и методом обратных расчетов, если в условиях (5.7) известны (например, из натурных наблюдений за устойчивостью выработок) размеры отдельных вывалов.
Вполне очевидно, что при увеличении распора Р структурных блоков или коэффициентов трения fo по поверхности структурных неоднородностей размеры устойчивых обнажении возрастают.
На рис 5.2 приведена диаграмма устойчивых обнажений кровли очистных выработок в зависимости от напряжений бокового распора структурных блоков Р и коэффициента трения fo по поверхностям структурных неоднородностей. Значение объемного веса g ввиду его сравнительно малой изменчивости для массивов скальных пород принято постоянным (g =3,0 тс/м3).
|
Рис 5.2. Области устойчивых обнажении кровли выработок при различных значениях удельной силы трения.
Из диаграммы следует, например, что если произведение Pfo = l, то предельные размеры устойчивых обнажении aхb составляют всего лишь 2х1 м (точка А); 3х0,8 м (точка Б) и т. п. Если произведение Pfo =10, то предельные размеры устойчивых обнажении возрастают до 13,5х13,5 м (точка В); 20х10 м (точка Г) и т. п.
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:
g sin d 1
------ --³ ---- , (5.8)
2 f0 P b
где d - угол наклона плоскостей эффективных структурных неоднородностей (в частном случае, углы падения крупноблоковых естественных трещин для очистных выработок или подземных сооружений)
На рис. 5.3 представлена диаграмма для определения размеров возможных вывалов из стенок большепролетных выработок при различных значениях углов наклона d, структурных неоднородностей, по которым происходит скольжение вывала.
|
Рис. 5.3. Диаграмма для определения размеров возможных вывалов b из стенок большепролетных выработок при различных значениях углов наклона плоскостей скольжения d и силы трения.
Графическое представление предельных размеров устойчивых обнажений пород в выработках в виде некоторого семейства кривых было впервые предложено профессором Г. А Крупенниковым в 1952 г при изучении устойчивости выработок в условиях Подмосковного бассейна. При этом устойчивость выработок Г. А. Крупенников оценивал по смещениям кровли и к устойчивым обнажениям относил обнажения, при которых не происходило обрушений пород в течение определенного, заданного условиями технологии выемки угля, периода времени.
Аналогичным образом можно приближенно устанавливать параметры устойчивых обнажений по результатам визуального обследования.
На рис 5.4 в качестве примера приведена диаграмма устойчивых обнажений, построенная по данным визуальных обследований выработок на одном из медноникелевых месторождений Кольского полуострова, где разрабатывалась свита вертикальных маломощных жил системой с открытым очистным пространством и распорной деревянной крепью. При этом все обнажения пород на месторождении с некоторой условностью относили к одному из следующих трех случаев:
видимые нарушения пород отсутствовали, обнажение считалось устойчивым;
проявления горного давления слабые: это выражалось в раскрытии отдельных небольших трещин в боковых породах, в образовании небольших заколов на локальных участках выработок, в изгибании или поломке отдельных элементов крепи в очистных блоках;
проявления горного давления весьма интенсивные: ярко выраженные заколы по обеим стенкам штреков, изгиб и поломка крепи в блоках, обрушение и завал штреков.
|
Рис. 5.4. Диаграмма устойчивости обнажении пород по результатам визуальных обследований (рудник Ниттис-Кумужья, Кольский полуостров).
Область: 1 - устойчивых обнажений, 2 - слабых проявлений горного давления, 3 - интенсивных проявлений горного давления.
На осях координат указаны размеры выработанного пространства по падению а и по простиранию б.
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. Однако в настоящее время отсутствуют обоснованные рекомендации по выбору оптимального коэффициента запаса, обеспечивающего как безопасность ведения горных работ, так и экономичность инженерных решений. 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 АН СССР 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.
При этом М И Агошков указывает, что сразу после обнажения породы часто не проявляют признаков неустойчивости, но через некоторое время вследствие изменения свойств пород во времени и под воздействием процессов выветривания становятся непрочными и теряют устойчивость.
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.
К неустойчивым отнесены породы, которые без крепления не дают устойчивых обнажений, т е. обрушаются вслед за подвиганием забоя. Слабоустойчивые породы сохраняют устойчивость в призабойной полосе шириной до 1 м в течение 2—3 ч. Среднеустойчивые породы обеспечивают устойчивость обнажении в призабойной полосе шириной до 2 м в течение 1 сут., устойчивые — в течение 2 сут. Весьма устойчивые породы обладают длительной устойчивостью в призабойной полосе шириной 5—6 м.
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.
Дата добавления: 2015-12-26; просмотров: 2219;