Файл: Садовский, Г. И. Механика горных пород, расчеты крепи и конструктивных элементов систем разработки рудных месторождений подземным способом [учебное пособие].pdf

Зона опорного давления около очистного пространства рас­ пространяется примерно на величину радиуса ее поперечного сечения. Таким образом, при ширине выработанного простран­ ства в 200 м и наличии над ним свода зона опорного давления обычно распространяется с каждой его стороны в глубь масси­ ва на расстояние до 100 м (рис. 9).

Рис. 9 Зона распространения опорного дав­ ления

В крепких породах выработки подвергаются опорному дав­ лению на расстоянии до 30-—50 м от выработанного пространст­ ва. За пределами этой зоны опорное давление на состоянии вы­ работок сильно по отражается, вследствие чего ему по уделяют особого внимания или даже пренебрегают его влиянием. Когда вершина свода достигает поверхности и происходит ее обруше­ ние, созданное сводом концентрированное опорное давление ис­ чезает. При продолжении очистных работ повышенное давление возникает вновь вследствие образования консоли над вырабо­ танным пространством. С увеличением глубины разработки на­ вес пород над выработанным пространством возрастает. Поэто­ му давление на массив руды и на имеющиеся около него опоры будет увеличиваться, тем самым ухудшатся условия разработ­ ки. На больших глубинах при незначительном простирании ме­ сторождений обрушение пород может и вовсе прекратиться, а над выработанным пространством образуется свод. Как общий принцип, необходимо стремиться вести разработку так, чтобы навес породы над выработанным пространством обрушился при возможно меньшей его ширине.

При малой мощности горизонтально и полого залегающих месторождений глубина зоны обрушения на поверхности обыч­ но небольшая, и обрушившиеся породы служат горизонтальным распором для массива прилегающих пород. Поэтому прилегаю­ щие породы будут обрушаться под более крутым углом, без рас-

19

пространения зоны обрушения далеко за пределы выработан­ ного пространства.

Если месторождение имеет крутое падение и выходит непо­ средственно на поверхность, то боковые породы будут сползать в выработанное пространство, как показано на рис. 10.

Рис. 10. Обрушение блоков вырабо­ танного пространства при разработ­ ке месторождений е вертикальным падением

При угле падения месторождений меньшем 90° условия об рушения пород висячего бока, образующих консоль над выра­ ботанным пространством, будут более благоприятными. Породы лежачего бока, вследствие наклона их в сторону от выработан­ ного пространства и распора, создаваемого для них обрушивши мися иродами висячего бока или закладкой, будут более устой­ чивыми, чем породы висячего бока.

При падении месторождений под углом не ниже 60—65° по­ роды или закладка, заполняющие выработанное пространство, будут создавать распор для пород висячего бока и тем самым уве­ личивать угол их обрушения. Если угол падения меньше 55 — 60°, под висячим боком остаются пустоты, способствующие об рушению пород этого бока под более пологими углами.

Обрушение висячего бока проявляется на поверхности обра­ зованием трещин, постепенным их расширением, скалывани­ ем по ним поверхности в виде террас, иногда достигающих сотни и более метров в ширину, и последующим их опрокидыванием в сторону лежачего бока. Такой процесс обрушения лишает ви-

20

сячий бок распора со стороны обрушенных пород если не на всю глубину обрушения, то на некоторую его часть, вследствие чего породы висячего бока обрушаются под более пологими углами, чем породы лежачего бока.

Зона обрушения, естественно, бывает более глубокой у ле­ жачего бока и постепенно уменьшается в сторону висячего

(рис. 11).

Рис. И. Схема массового обрушения порой висячего бока

Указанный процесс обрушения пород висячего бока особен­ но резко проявляется при выемке системами разработки с об­ рушением наклонно и круто залегающих мощных месторожде­ ний при наличии в висячем боку достаточно устойчивых пород.

С увеличением глубины разработки объем разрушающихся пород висячего бока при понижении очистных работ на одну и ту же глубину возрастает, и коатому обрушение произойдет после подсечки их очистными работами на большей площади и, следовательно, с большим отставанием от горизонта очистных работ.

§ Гь Методы изучения горного давления

Применяемый в настоящее время комплексный: метод ис следований проявлений горного давления включает натурные, лабораторные п теоретические (аналитические) исследования.

Исследования в натурных условиях по определению напря­ жений, действующих в массиве, деформаций и смещений, раз впкающихся в породах вокруг выработки, а также непосредст­

21

венное измерение давления на крепь выработки имеют перво­ степенное значение при изучении различных проявлений горно­ го давления, механизмов деформационных процессов и форми­ рования сил, действующих на крепь выработки.

В настоящее время наиболее широко применяются следую­ щие методы: измерение сближения вмещающих пород, измере­ ние реакции крепи, нивелирование выработок, разгрузка, гидро­ домкраты, глубинные реперы, ультразвуковой, электроизмереиий, акустический, сейсмический, фотоупругих покрытий, коль­ цевых деформаторов и другие.

Лабораторные методы исследования помогают увязать тео­ ретические решения с данными непосредственных наблюдений в натурных условиях. Кроме того, они имеют самостоятельное значение — позволяют вскрыть элементы механизма процессов деформации в породах, окружающих горные выработки и очи­ стное пространство.

Наиболее научно обоснованным и эффективным методом ла­ бораторных исследований вопросов горного давления является метод моделей.

Применяются следующие методы моделирования процессов деформаций и разрушений горных пород:

1)геометрическое моделирование;

2)центробежное моделирование;

3)моделирование «эквивалентными» материалами;

4)фотоупругость, или оптический метод исследования на­ пряжения в моделях из «эквивалентных» оптически активных материалов;

5)компенсирующая нагрузка;

6)тензосетки.

Аналитический метод исследований позволяет установить математическую связь между напряжениями и деформациями, возникающими вокруг горной выработки, в зависимости от глу­ бины ее залегания и физико-механических свойств пород, а так­ же учесть в ряде случаев горно-геологические и производствен­ но-технические факторы. Аналитические исследования основы ваются на методах сплошной среды: теории упругости и иласти чностн.а также механики сыпучих сред.

Результатом аналитических исследований, как правило, яв­ ляются рекомендации простых расчетных формул или сложных математических зависимостей для определения величины гор ноге давления.

22

§ 6. Принцип рационального размещений горных выработок и выбор формы их сечения

Основным техническим критерием при выборе местополо­ жения комплекса капитальных выработок является прочность вмещающих пород, удовлетворяющая условию

где п — коэффициент запаса; к — коэффициент концентрации напряжений.

Это условие может быть сформулировано так: прочность по­ род, в которых целесообразно разместить основные выработки, должна быть выше ожидаемых напряжений в боковых породах с учетом концентрации, вызванной проведением выработок.

При практическом использовании этого условия необходимо учитывать требования рациональной технологии разработки по­ лезного ископаемого: породы с необходимыми прочностными параметрами должны быть расположены вблизи подлежащих разработке пластов или залежей, в противном случае неизбеж­ ны значительные дополнительные капитальные вложения и по­ вышенные эксплуатационные расходы.

С ростом глубины разработок увеличивается отрицательное влияние очистных работ на устойчивость штреков: зона влия­ ния очистных работ расширяется, а смещение пород становится интенсивнее. В связи с этим во многих случаях целесообразно переходить от рудной подготовки запасов к полевой с размеще­ нием полевых штреков в зоне разгруженных пород, когда влия­ ние опорного давления снижается до минимума.

В каждом конкретном случае эта задача решается индивиду­ ально с учетом свойств вмещающих пород, элементов залегания месторождения — угла падения, мощности, системы разработки,

идр.

Впрактике все чаще встречаются случаи, когда при глубине разработки 1000—1200 м штреки подвергаются ' значительным разрушениям при расположении их вне зоны влияния очист­

ных работ, что обусловлено высокими напряжениями, действую­ щими в массиве.

Одним из средств понижения напряжений в массиве в не­ которой ограниченной области является иадработка рудного те­ ла. За счет обрушения кровли и деформаций почвы удается спять часть напряжений в некоторой области и передать их на смежные части массива. При этом выработки, проведенные в

23

выработанном пространстве, оказываются в более благоприят­ ных условиях по сравнению с выработками, расположенными в нетронутом массиве (рис. 12). Задача предварительной надработки части рудного тела до проведения основных подготови­ тельных выработок сопряжена с определенными трудностями, однако такой подход к решению задачи обеспечения устойчи­ вости горных выработок на блыних глубинах перспективен.

Рис. 12. Схемы целесообразного размещения вырабо­ ток в массиве:

а) вне зоны опорного давления; б) в выработанпом пространстве

Основной особенностью конструкции крепи горизонтальных и пологих выработок является форма перекрытия и опор (сте­ нок, фундаментов) крепи.

В устойчивых породах при небольшом давлении со стороны

При наличии малоустойчивых пород в кровле н боках выра битки перекрытию придают сводчатую, а опорам прямолиней­ ную или криволинейную форму (рис. 136, в). В этом случае прйменяется арочная крепь, элементы которой работают глав­ ным образом на сжатие и частично на изгиб. В качестве мате­ риалов крепи применяют бетон, железобетон, металл.

Если в подошве выработки залегают неустойчивые или пу­ чащие породы, то сооружают обратный свод, и крепь приобре­

24

тает замкнутую форму (рис. 13г). Для ее изготовления приме­ няют все крепежные материалы, за исключением дерева.

Конструкция крепи горизонтальных и наклонных выработок зависит также от их расположения по отношению к очистным работам. В подготовительных выработках, расположенных в зоне влияния очистных работ, применяют податливую крепь. В вы­ работках, находящихся вне зоны влияния очистных работ, пс пользуют крепь жесткую или с небольшой податливостью.

1‘ис. 13. Формы горизонтальных и наклонных выработок

§7. Особенности проявления горного давления на больших глубинах

Сувеличением глубины разработки месторождений полезных ископаемых вертикальные напряжения горных пород уве­ личиваются примерно на 25 кг/см2 на каждые 100 м.

При трехосном напряженном состоянии напряжения поряд­ ка 7 • 103 кг/см2 вызывают пластические деформации во многих породах и минералах, исключая кварц. Поэтому горные породы с глубиной все более теряют хрупкие свойства и приобретают пластичность. Значения коэффициента Пуассона для горных пород изменяются на небольших глубинах от 0.1 до 0.17; па средних глубинах (000—1200 м) от 0.17 до 0.33 и на больших глубинах от 0.30 и более, до 0.5 (как предел). В связи с этим меняется характер напряженного состояния пород и формы их разрушения около выработок.

С глубиной понижается устойчивость при обнажении. В кровле проходимой выработки порода, находящаяся в массиве

25 '

в состоянии сжатия, остается в напряженном состоянии, но, не встречая снизу сопротивления, подвергается изгибу и срезу но линии соприкосновения ее с боковыми стенками выработки. При этом возможны три случая поведения пород:

горный удар (взрыв) породы в момент ее обнажения выработ­ кой или, вследствие гистерезиса деформации, несколько позже, когда в забое производятся работы;

ботки тоже происходит обрушение породы или непосредственно после ее обнажения или. чаще, с некоторым отставанием от забоя;

3) если напряжение породы ниже сопротивления ее срезу и изгибу, то порода из кровли выработки обрушаться не будет и не потребуется искусственного ее поддержания.

В боках выработки породы также испытывают напряжение, как и в кровле, по величина его меньше и потому скалывающие силы получаются небольшими. Благодаря этому бока выработки подвержены меньшему обрушению, чем кровля.

Поддержание выработок на больших глубинах становится трудной задачей даже при сплошном залегании пород. Особенно высокие напряжения пород встречаются в замках синклиналь­ ных складок.

С увеличением напряжения горных пород увеличивается энергия их упругой деформации. Величина энергии упругой де­ формации в единице объема горной породы выражается фор­ мулой

Около половины высвобождаемой энергии затрачивается на трение или разрушение пород, а остальная часть проявляется в виде кинетической энергии, что может представить большую опасность для сохранения выработки.

Как показывает опыт эксплуатации многих зарубежных руд­ ников, где полезные ископаемые добываются на больших глу­ бинах, и некоторых отечественных рудников, достигших глуби-

26