книги из ГПНТБ / Садовский, Г. И. Механика горных пород, расчеты крепи и конструктивных элементов систем разработки рудных месторождений подземным способом [учебное пособие]

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

ны свыше 600 м. возникают следующие проблемы, требующие разрешения:

1) борьба с горным давлением, усиливающимся с глубиной разработки;

2)борьба с горными ударами;

3)проветривание и борьба с пылыо, приобретающие в усло­ виях глубоких рудников особое значение в связи с увеличением температуры горных пород до 40—65 градусов и значительным удлинением вентиляционных путей;

4) подъем полезного ископаемого и пустых пород из глубо­ ких шахт.

§ 8. Горные удары к меры борьбы е ними

Горные удары представляют собой одну из особых и наибо­ лее опасных форм проявления горного давления. При этом яв­ лении происходит хрупкое взрывоподобное разрушение горного массива в зоне предельно напряженного состояния. Проявление горных ударов обусловлено рядом горно-геологических факто­ ров, важнейшие из которых:

а) значительная глубина разработки и, следовательно, боль­ шой вес налегающей толщи пород;

б) напряжения, возникающие в горных породах в результа­ те тектонических нарушений в земной коре, имевших место в предшествовавшие геологические эпохи;

в) наличие мощных и крепких пластов пород, залегающих в почве и кровле полезного ископаемого;

г) способность пород аккумулировать упругую энергию.

По теории Г. Кванила, разрушение пород, возникающее при горном ударе, представляет собой, ио существу, разрушение дроблением. Это разрушение можно разделить на две основные группы:

а) разрушение дроблением при быстром нагружении; б) разрушение дроблением при изменении характера дефор

маций.

Изучение первой группы разрушений показало, что меха­ нические свойства породы зависят от способа и скорости на­ гружения. Чем быстрее идет процесс нагружения, тем меньше возможности для деформации.

Уменьшение деформаций вызывает временное увеличение прочности породы, повышает способность пород аккумулиро­ вать потенциальную энергию. Данный процесс продолжается до тех пор, пока не возникает несоответствие между накопленной

27

потенциальной энергией п отставанием деформаций. Поскольку в этом промежуточном положении не выполняется основной принцип равновесия, потенциальная энергия моментально пере­ ходит в работу и порода разрушается способом дробления. Та­ кое разрушение породы бывает при бурении и взрывных рабо тах.

Рассмотрим некоторый участок рудного тела или вмещаю­ щих пород, примыкающий к выработанному пространству, ко­ торый при определенных деформациях напряжен до предела упругости. Его быстрое нагружение динамическим усилием, вызванное влиянием сейсмической волны, которая может воз­ никнуть, например, в результате ведения вблизи этого участка взрывных работ, вызовет разрушение дроблением, т.е. горный удар.

Другая группа разрушения дроблением происходит при изменении характера деформаций.

Псе случаи деформации разделяются па две группы, в осно­ ву которых положена их способность аккумулировать потенци­ альную энергию: I ) деформации'позитивная и 2) деформация негативная.

Позитивная деформация характеризуется тем, что при даль­ нейшем увеличении напряжений повышается способность акку­ мулировать потенциальную энергию, т.е. когда возрастает на­ пряжение без изменения его характера, возрастает и деформа­ ция того же характера.

Негативная деформация определяется уменьшением способ пости аккумуляции потенциальной энергии при изменении ха­ рактера напряжений и деформаций (рис. 14).

Если сравнить деформации, изображенные на рис. 14а и рис. 146, то второй случай: имеет деформацию позитивную, при которой способность аккумуляции потенциальной энергии воз­ растает. Напряжение возросло без изменения его характера, возросла и деформации того же характера. Деформация, пока­ занная па рис. 14в, негативная, так как уменьшилась способ иость аккумуляции потенциальной энергии даже и том случае, если суммарная нагрузка возросла.

Если горцам порода напряжена до предела упругости и ха­ рактер деформации изменим в ней так, что позитивная дефор машгя переходит в негативную, то появляется избыточная по­ тенциальная энергия, так как негативная деформация не спо­ собна акккумулировать то количество энергии, которое аккуму­ лировалось при позитивной деформации.

28

Рис. 14. Деформация схематически вычерченных частиц породы (черными кружочками обозначь ны положительные ноны, белыми — отрицатель­ ные, заштрихованные частя — количество потен циальиой оперши при определенной деформа

Дни)

избыточная энергия вызывает горный уда]).

Массив пород, вскрываемый горными выработками, не нахо­ дится в покое, и возникшие при этом перемещения направлены на восстановление первоначального равновесии. Эти перемеще­ ния и являются причиной перехода позитивной деформации в негативную. До настоящего времени в СССР наибольшее число горных ударов произошло при разработке угольных месторожде­ ний па больших глубинах. По мере увеличения глубины разра­ ботки потенциальная опасность проявлений горных ударов бу­ дет возрастать и при разработке других полезных ископаемых. Так например, первые признаки горных ударов отмечены при проходке стволов Октябрьского рудника Норильского комбина­ та.

Горные удары подразделяют на четыре класса: стреляние, толчкн, микроудары' и собственно горные удары. Стреляние про­ является в виде отскакивания отдельных кусков руды (угля) или породы от сильно напряженных бортов, толчки — в виде разрушения пород в глубине массива—сопровождаются сотрясе­ нием, но без выброса пород, осыпанием, иногда воздушной пол­ ной. Микроудары проявляются в виде разрушения и незначи­ тельного выброса руды (угля), породы в выработке. Собственно горные удары представляют собой взрывоподобпос разрушение руды (угля), пород. Сотрясение массива горных пород при гор­

29