Предельные размеры обнажений пород в очистных выработках.

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 или образовываться зоны действия высоких сжимающих 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

b11

----- = ----- ¸-----(16.1)

l45

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

Для учета второго вида разрушения—сдвига, особенно характерного для массивов пород блочной структуры, можно использовать условия (13.23), 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 экспериментально установленный предельный безопасный размер зоны нарушенных пород от контура очистной выработки в глубь массива составляет, как и в случае капитальных и подготовительных выработок, 0,4 м.

Глубиной распространения зоны нарушенных пород от контура выработок в сторону массива определяются размеры возможных вывалов из кровли, в частности их высота (рис 16.2).

Рис 16.2. Схема действия сил на структурный блок в кровле и стенке выработки после реализации скола по поверхностям структурных неоднород-ностей - граням выделенных структурных блоков

Однако 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. 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:

g11

--------³ ------ + --------(16.2)

2 f₀ Pab

 

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.

 

Это неравенство в системе координат (а, b) представляет собой гиперболическую кривую, разграничивающую области устойчивых и неустойчивых обнажении.

На рис 16.3 приведена диаграмма устойчивых обнажений кровли очистных выработок в зависимости от напряжений бокового распора структурных блоков Р и коэффициента трения f_o по поверхностям структурных неоднородностей. Значение объемного веса g ввиду его сравнительно малой изменчивости принято постоянным (g =3,0 тс/м³).

 

Рис 16.3. Области устойчивых обнажении кровли выработок при различных значениях удельной силы трения.

 

 

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. Их предельные размеры могут быть определены также с помощью изложенного подхода.

Графическое представление предельных размеров устойчивых обнажении 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 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 обнажении и по результатам визуального обследования.

На рис 16.4 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:

1) видимые нарушения пород отсутствовали и обнажение считали устойчивым;

2) горное давление проявлялось слабо, 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;

3) горное давление проявлялось весьма интенсивно, происходили ярко выраженные заколы по обеим стенкам штреков, изгиб и поломка крепи в блоках, обрушение и завал штреков.

Рис. 16.4. Диаграмма устойчивости обнажении пород по результатам визуальных обследований (рудник Ниттис-Кумужья, Кольский полуостров).

Область: 1 - устойчивых обнажении, 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, предлагались и другие способы расчета устойчивых обнажений кровли очистных выработок, например, на основе определения разрушающих нагрузок.

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 широко используют частные классификации пород по устойчивости кровли, составленные путем обобщения практического опыта применительно к тем или иным конкретным месторождениям.