§ 88. Выбор места заложения подготовительных выработок

Откаточные выработки. Штреки следует располагать на таком расстоянии от рудного тела, чтобы была возможность сохранить их на весь период отра­ботки этажа и иметь минимальные капитальные и эксплуатационные затраты. Поэтому перед выбором места заложения подготовительных выработок необхо­димо по месторождению точно знать горно-геологическую характеристику гор­ных пород и руд, иметь некоторые основные сведения из базовых физико-техни­ческих характеристик пород и руд, их предполагаемое изменение на рассматри­ваемой глубине. Эти сведения проектные организации получают от научно-исследовательских институтов и геологоразведочных организаций.

Подготовка этажными штреками пологих, наклонных и крутопадающих месторождений. Этажные штреки проводят в рудном теле или в боковых поро­дах, чаще лежачего бока. При таком расположении этажных штреков обра­зуется тупиковая схема откатки. При весьма неустойчивой руде и при подготовке двумя этажными штреками их проводят во вмещающих породах. При большой производительности шахты для увеличения интенсивности откатки и упроще­ния схемы проветривания этажные штреки соединяют между собой и создают кольцевую схему откатки.

В мощных месторождениях при подготовке одним штреком его проводят, по контакту с лежачим боком; посередине или вблизи от середины месторожде­ния; по контакту с висячим боком.

Проведение штрека по контакту с лежачим боком обычно вызывается необ­ходимостью следовать за контуром рудного тела, обеспечивая удобство выпуска руды со стороны лежачего бока и уменьшение надштрекового целика (по сравнению с положением штрека посередине рудного тела). На месторождениях мощностью более 30 м, в целях улучшения выпуска отбитой руды, проводится рудный погрузочно-доставочный штрек. Так как штрек, пройденный по контакту с рудной залежью, может быть разрушен горным давлением в зоне деформации пород лежачего бока, то за этой зоной проходится второй откаточный штрек (см. рис. IV.22, б; рис. IV.23, в). Проведение штрека по контакту с висячим боком применяется редко при устойчивых породах висячего бока и слабых породах лежачего бока. Штрековая подготовка при этажно-камерных системах раз­работки и доставки полезного ископаемого с помощью виброустановок позволяет интенсивно отрабатывать этаж.

При подготовке маломощных и тонких месторождений в рудном теле обычно проводят один этажный штрек. В тонких жилах штреки проводят таким образом, чтобы жила находилась посередине его сечения (крутое падение), у кровли, у почвы или в породах почвы рудных залежей, и из них проводят рудоспуски и ходки (пологое падение).

Выбор схемы расположения штреков производится с учетом: характера жилы (постоянство элементов залегания, наличие теологических нарушений); устойчивости боковых пород; срока службы штрека; условий доставки руды.

При большом сроке службы штрека его располагают в устойчивых породах лежачего или висячего бока. Погрузка руды в вагонетки производится в штреке через простые люки или вибролюки под действием гравитационных сил (само­теком) или с помощью скреперных установок (пологопадающие жилы).

Преимущества данного способа подготовки — более легкое проветривание и несколько меньший объем подготовительных работ на основном горизонте по сравнению с подготовкой весьма мощных месторождений этажными штреками и ортами.

Недостаток способа — малая устойчивость штреков по сравнению с подго­товкой штреками и ортами.

Подготовка главными штреками горизонтальных месторождений в зави­симости от их размеров ведется одним или несколькими главными штреками, проводимыми по руде или в породах .почвы.

Расположение главных штреков зависит: от устойчивости руды; гипсоме­трии почвы рудного тела и условий откатки; требований дополнительной раз­ведки и необходимости оставления руды в целиках.

Преимуществами данного способа подготовки являются: несколько меньший объем подготовительных работ и более благоприятные условия проветривания по сравнению с подготовкой месторождения главными и панельными штреками.

Этажные штреки и орты. Подготовка этажными штреками и ортами поло­гих, наклонных и крутых месторождений применяется при разработке весьма мощных месторождений с одним или несколькими штреками, проводимыми в руд­ном теле или во вмещающих породах, или по руде и породе в одном из боков месторождения.

Ортовая подготовка горизонта с одним откаточным штреком, пройденным в лежачем боку месторождения, рассчитана на доставку полезного ископаемого из очистных забоев с помощью скреперных установок. Орты-заезды проходят через 50—70 м в зависимости от принятой длины блоков.

Подготовка одним штреком с ортами неудобна из-за встречного движения и вызывает необходимость проведения при большой производственной мощности горизонта двухпутевых штреков. Проведение двух и более этажных штреков дает возможность осуществить кольцевую схему подготовки и откатки. По сравнению с подготовкой этажными штреками рассматриваемый способ подготовки харак­теризуется большим объемом подготовительных работ на основном горизонте. Преимуществами его являются: меньший срок поддержания ортов и большая их устойчивость по сравнению со штреками, отсутствие необходимости загрузки вагонеток в этажных штреках, более полная разведка и оконтуривание залежей; более интенсивный дренаж залежей; возможность отработки блоков независимо друг от друга.

При неустойчивой руде подготовка ведется штреками, проводимыми в по­родах лежачего и висячего боков месторождения и ортами.

Подготовка главными и панельными штреками горизонтальных месторож­дений принимается при разработке обширных горизонтально и весьма полого залегающих рудных тел. Штреки откаточного горизонта проводят по руде или по породе почвы. Возможно применение кольцевой схемы при нескольких глав­ных штреках. Число главных штреков зависит от конфигурации и размеров месторождения и параметров панелей.

При комбинированном способе подготовки для передвижения самоходных горных машин с подэтажа на подэтаж проводят уклоны (съезды) под углом от 4 до 10°. Эти съезды (уклоны) связывают между собой подэтажи с рудоспусками.

Расположение восстающих. Восстающие в месторождениях большой мощ­ности проводят наклонными или вертикальными. В маломощных месторожде­ниях — согласно углу падения рудных тел с учетом следующих требований: удобства и безопасности сообщения с очистными забоями, нормальных условий для проветривания забоев; удобства доставки руды на откаточный горизонт и закладки в выработанное пространство, а также доставки материалов в очист­ные забои; минимальных расходов по проходке и ремонту; конструктивных осо­бенностей принятой системы разработки; детальной разведки.

Расстояние полевых откаточных штреков от контура рудного тела. Из усло­вия перепуска руды с верхнего подэтажа на откаточный горизонт при применении вертикальных перепускных восстающих расстояние от контура рудного тела до откаточного штрека (см. рис. IV.23, г)

(IV.56)

(IV.57)

Штрек, расположенный на расстоянии b от контакта рудного тела, из усло­вия перепуска руды по формуле (IV.56) может оказаться в зоне опорного дав­ления. Под опорным давлением понимается горное давление, возникающее близ горных выработок в массиве пород.

По С. Г. Авершину, при разработке рудного тела удаляется опора части пород, расположенных над выработанным пространством; сила тяжести под­резанного столба передается на соседние участки руды, окружающие очистные работы.

Суммарная пригрузка на каждый целик

(IV.58)

где α — ширина очистного пространства, м; H - глубина ведения очистных работ от поверхности, м; 𝜸 — плотность пород, т/м³.

Распределение этой пригрузки существенно зависит от физико-механических свойств пород покрывающей толщи, мощности рудного тела, глубины разработки.

По мере приближения фронта очистной выемки к лежачему и висячему бокам опорное давление будет перемещаться во времени и пространстве.

При выемке руды у контактов залежи опорное давление переместится на породы лежачего и висячего боков и будет оказывать влияние на откаточные и вентиляционные штреки.

Величина опорного давления на породы лежачего и висячего боков и харак­тер ее распределения зависят от процессов,* происходящих в толще массива. Суммарное давление может достигать величин, в 2—5 раз превышающих перво­начальное давление в нетронутом массиве.

Все процессы, происходящие в толще пород, являются результатом очист­ных работ и обусловливаются горнотехническими условиями, геологическими особенностями строения надрудной толщи и физико-механическими свойствами горных пород.

Криворожский горнорудный институт (КГРИ) для мощных месторождений КМА рекомендует располагать откаточные штреки лежачего бока от границ рудного тела на расстоянии

(IV.59)

где Н — глубина разработки.

С. М. Липкович, используя результаты исследований С. Г. Авершина, пред­лагает определять расстояние штрека от границы залежи по величине зоны опорного давления (рис. IV.24, а)

^(IV.60)

где Н — глубина работ от поверхности, м; h — высота этажа, м; — коэффи­циент крепости пород лежачего бока (для крепких пород можно принимать 0,8; для пород средней крепости— 1; для слабых— 1,2).

Согласно теории горного давления, в нетронутом массиве торных пород существует весьма простое поле напряжений. На значительных глубинах и при больших давлениях (идеальный случай) коэффициент Пуассона стремится к 0,5, поэтому напряженное состояние массива можно принять гидростатическим, т. е.

σ_х = σ_у = σ_z = σ_∞ = 𝜸Z , (IV.61)

где 𝜸 — плотность пород, т/м³; Z — расстояние от поверхности земли до центра выработки, м.

В результате проведения горных выработок происходит перераспределение напряжений в пределах определенной зоны с радиусом R_B. Размеры зоны пере­распределения определяются исследователями по-разному. Радиус зоны влияния горной выработки на окружающие породы принимается R_B = от 2,1 до 3,4 или 2,3 до 2,5 наибольшего линейного размера выработки.

Очистное пространство (вкрест простирания) в панели можно рассматривать как выработку большого диаметра. Конечный размер его равен ширине выра­ботанного пространства (сумма ширины отработанных блоков).

Следовательно, штрек и очистное пространство условно рассматриваются как две смежные выработки, оказывающие влияние друг на друга (см. рис. IV.24, б).

По мере продвижения фронта очистных работ от висячего бока к лежачему боку, или наоборот, горное давление будет оказывать все большее влияние на откаточные штреки лежачего или висячего боков. Принимая ширину выработан­ного пространства вкрест простирания как пролет выработки, равной мощности рудного тела, будем иметь: для мощных месторождений R_B =2,5В, для сверх мощных месторождений R_B = 2В, где R_B — радиус влияния очистного про­странства, м; В — ширина очистного пространства вкрест простирания, м. Отсюда удаленность штреков от границы залежи

^{Х= (2 - 2,5) m ; (IV.62)}

где т — горизонтальная мощность залежи, м.

Полученное расстояние откаточного штрека до границы залежи необходимо проверять по принятому углу сдвижения пород и углу падения лежачего или висячего боков (рис. IV.24, в):

(IV.63)

где b_n — расстояние откаточного штрека рабочего горизонта от границы за­лежи, м; — расстояние (по горизонтали) от откаточного штрека рабочего горизонта п до границы залежи на нижележащем горизонте , м; — высота нижележащего этажа, м; β — принятый угол сдвижения пород лежачего бока, градус; α — угол падения залежи со стороны лежачего бока, градус.

Одиночная выработка круглого сечения (рис. IV.25, а, б, в) испытывает большое давление не только сверху, но также с боков и снизу за счет упругих поперечных деформаций пород, В общем случае можно считать, что в каждом элементарном объеме одна из главных осей напряжений направлена по радиусу σ₂, а другая главная ось — по касательной к контуру выработки, и вдоль этой оси действуют максимальные сжимающие напряжения σ₁ называемые окружными, (т. е. вдоль окружности). Сжимающие напряжения в радиальном направле­нии σ₂, очевидно, снизятся до нуля у контура выработки (незакрепленной) и с удалением от выработки постепенно возрастут от нуля до величины, нормальной для нетронутого массива. Окружное же напряжение σ₁ достигнет максимума близ выработки, а затем по мере удаления от выработки постепенно снизится до нор­мальной величины для нетронутого массива.

Увеличенное окружное давление принято называть опорным давлением. После проведения выработки давление расположенных над ней пород пере­дается практически не на бесконечную площадь, а лишь на зоны, ограниченные по обеим сторонам длиной (рис. IV.25. г, д). Конфигурация этих зон опреде­ляется эпюрой давления, которое возрастает от нуля до максимума, а затем плавно снижается.

Эпюра характеризуется отношением ширины зоны влияния выработки по одну ее сторону к ширине самой выработки; коэффициент концентрации на­пряжений

где — максимальное вертикальное сжимающее напряжение, Па. Отношение по существу определяет величину

Для идеально упругого материала не зависит от ширины пролета b.

Иногда, по данным отдельных замеров, это может быть отнесено и к породному массиву. Но в большинстве случаев зона опорного давления увеличивается в мень­шей степени, чем ширина выработки.

Приближенно отношение

(IV.65)

где — коэффициент влияния ширины пролета; =0,8 - 1,5 — коэффициент влияния свойств пород. Для трещиноватых пород средней крепости

(IV.66)

где Кф — коэффициент формы выработки в плане, учитывающий, что часть дав­ления пород, расположенных над выработкой, воспринимается массивом по ее торцам. Изменяется от 0,7 при квадратной форме обнажения до 1 при большой (более трех пролетов) длине выработки.

При обособленных (см. рис. IV.25, а) и сближенных (рис. IV.25, ж_, з) вы­работках опорное давление распределяется в интервале между ними. При боль­шом горном давлении или непрочном породном массиве подготовительные вы­работки по возможности следует располагать на расстоянии

(IV.67)

Выемку руды желательно вести так, чтобы число узких (шириной менее ) участков было минимальным. При небольшом расстоянии между вы­работками целесообразно возводить искусственные опоры. Вместе с опорой целик образует единую конструкцию, средняя часть которой подвергается все­стороннему сжатию.

Рис. IV.24. К определению расстояния штрека от рудного тела:

а — по зоне опорного давления (H — глубина работ от поверхности; h_Э — высота этажа; L_ОП — зона опорного давления; — ширина очистного пространства); б — по зоне влия­ния очистных работ (1 — массив руды; 2 — очистное пространство; 3 — породы, подле­жащие обрушению; 4 — откаточный штрек); в — по углу сдвижения породи углу падения залежи (b_П — расстояние откаточного штрека (по горизонтали) от границы залежи на ра­бочем горизонте; b_П1 — расстояние по горизонтали откаточного штрека рабочего гори­зонта л до границы залежи на нижележащем горизонте n₁; β — принятый угол сдвижения пород лежачего бока, градус; α — угол падения залежи со стороны лежачего бока, гра­дус)

Рис. IV.25. Опорное давление для ряда случаев:

а, б, в – при одиночной одиночной выработке круглого сечения (а — схема; б — эпюра давления по линии 1 – 1; в - эпюра окружного δ₁; радиального δ₂ и сдвигающего τ напряжений в зоне опорного давления шириной l; 2 – граница зоны опорного давления); г - при отдельной выработке; д – при наклонном выработанном пространстве (эпюры по линии 1 — 1 для вертикальных сжимающих напряжений; площадь 2 равна площади 1, соответствующей силе тяжести пород над половиной выработки); е — при обособленных выработках (расстояние между выработками больше l₁+l₂); ж, з - при сближенных (расстояние между выработками меньше l₁+l₂) выработках (эпюры по линии 1 - 1 для вертикальных сжимающих напряжений; Z₁ — опорное давление от правой выработки; Z₂ — то же, от левой; Z₁ +Z₂ — суммарное опорное давление)

Расстояние полевых откаточных штреков от контура рудного тела, полученное расчетным путем, необходимо критически оценить по совокупности факторов: физико-механических свойств руды и вмещающих пород; глубины ведения очистных работ от поверхности: изменения плотности горных пород с глубиной; мощности рудного тела; высота этажа; применяемых систем разработки. Только после комплексного анализа можно принимать.