книги из ГПНТБ / Вскрытие и разработка рудных месторождений на больших глубинах докт. техн. наук, проф. Г. М. Малахов, инж. А. П. Черноус. 1960- 19 Мб

работы ведутся на глубине 2500—3350 м (Индия и Южная Африка), представляет интерес с той точки зрения, что все специфические условия разработки горных месторождений на

больших глубинах (горные удары, высокая температура гор­ ных пород и др.) здесь выражены особенно ярко [25], [241. Кроме того, на этих рудниках накоплен наиболее ценный опыт г;о борьбе- с высокими температурами рудничного воздуха, гор­ ными ударами и другими проявлениями горного давления.

Глубина горных работ на рудниках Колар достигла 3072 м (декабрь 1958 г.), а на рудниках Витватерсранда (рудник Ист Ранд)—3353 м (май 1958 г.) [26, 27].

В табл. 2 приведен перечень рудников, на которых горные

работы ведутся на глубине 500—1500 м и в ряде случаев раз­ рабатываются мощные рудные залежи.

Таблица 2

__________ Рудники с глубиной разработки от 500 до 1500 м____________

Продолжение табл. 2

i

10

§ 2. ПРОБЛЕМЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ С УГЛУБЛЕНИЕМ ГОРНЫХ РАБОТ

С увеличением глубины разработки рудных месторождений, возникают следующие проблемы, требующие разрешения:

1, Борьба с горным давлением, усиливающимся с глубиной разработки [5], [6], [7].

2.Борьба с горными ударами, являющимися следствием перенапряженного состояния горных пород, окружающих вы­ работанные пространства [1], [2].

Горные удары проявляются на глубоких горизонтах шахт, когда напряжения в горном массиве настолько велики, что пре­ вышают предел прочности горных пород. Они сопровождаются выбросом горных пород в зону выработки, сильным звуком, воздушным ударом и сейсмическим эффектом. Явления эти,

различные по своему масштабу, наблюдаются в соответствую­ щих условиях как в очистных, так и в подготовительных выра­

ботках.

3.Проветривание и борьба с пылью, приобретающие в усло­ виях глубоких рудников особенное значение в связи с увели­

чением температуры горных пород до 40—65° С и значительным удлинением вентиляционных путей. В некоторых случаях при­

менение мокрого бурения как средства пылеулавливания на

глубоких рудниках недопустимо из-за высокой температуры шахтной атмосферы и увеличения влажности выше допустимых пределов, переносимых человеческим организмом [17].

4. Подъем полезного ископаемого и пустых пород из глу­

боких шахт. Актуальность этой проблемы возрастает с увели­ чением глубины разработки и’ масштабов добычи полезных

ископаемых [8], [10], [11].

Перечисленные проблемы возникают на рудниках в отдель­ ности или в сочетании друг с другом [9]. В зависимости от гор­ нотехнических условий разработки на некоторых рудниках до­

минирующее значение в числе факторов, ухудшающих условия работы с глубиной, приобретает проявление повышенного гор­

отечественной практике в разработке мероприятий, имеющих цель устранить их вредные последствия.

Условия работы в глубоких рудниках требуют особого под­

хода к разрешению вопросов вскрытия [4], [14], [15], подготовки

месторождений, выбору систем разработки, планированию гор­ ных работ, проветриванию, кондиционированию рудничного воздуха, выбору системы подъема полезного ископаемого.

11

Наиболее важным для отечественной горнорудной промыш­ ленности в настоящее время является выбор способов вскры­

СССР.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ав ер шин С. Г. Горные удары. Углетехиздат, 1955.

2.Малахов Г. М. Проблемы разработки рудных месторождений на больших глубинах. Научно-технический бюллетень, № 2. НТО Чермет, Криво­ рожское отделение, 1957.

3.Малахов Г. М. Проблема разработки рудных месторождений Кри­ ворожского бассейна на глубине 700—900 м. «Горный журнал», 1957, 7.

4.С е л е ц к и й Р. А. К вопросу о способах вскрытия и подготовки шахт­ ных полей в Донецком бассейне на больших глубинах. «Разработка уголь­

больших глубинах. «Разработка угольных месторождений Донбасса на боль­ ших глубинах». Углетехиздат, 1955.

6. Buisson A. Deep Level Problems I, 11. South African Mining and Engineering Journal, 1952, vol. 62, № 3073. pp. 897, 899; № 3076. pp. 939, 941, 943.

7.Buisson A. Deep Level Mining Problems. Canadian Mining Journal. 1951, vol. 72, № 11, pp. 57—62.

8.Deep-Winding Problems. Iron and Coal Trades Review. 1952, vol. 164.

№4375. pp. 374.

9. Deep Shafts of the World. Engineering and Mining Journal. 1948, vol. 149, № 11, p. 79.

10.G a r d n e r E. D. Mining Technology—Outbook for the Future.—

Mining Engineering, 1955, vol. 7, № 4, pp. 370—375.

11.Grotowsky U. Hauptfordeschachte im siidafrikanischen Coldbergbay

in Recent Years Reviewed.— The South African Mining and Engineering Journal. 1941, № 2503, pp. 527, 529, 531.

15.Nelson A. The Siting of New Mines. — Mine and Quarry Engineering, 1949, vol. 15, № 10, pp. 323—327.

16.South African DeepLevel Mining Committee Report. Mining Journal. London. 1945, vol. 224, № 5724, p. 282.

17. S p a 1 d i n g J„ Deep Mining. Mining Publications, Ltd. London, 1949.

18.S p a 1 d i n g J., Deep Mining Problems in Kolar Goldfields. Engineering and Mining Journal, 1947, vol. 148, № 8, pp. 70—75.

19.The World's Deepest Mines. South African Mining and Engineering Journal, 1943, vol. 54. № 2647, pp. 161, 163..

12

Глава II

ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ

§ 1. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД В МАССИВЕ

Главной причиной, обусловливающей горное давление, как это доказано практикой и научными исследованиями, явля­ ются силы гравитационного характера, проявление которых при разработке месторождений полезных ископаемых доступно непосредственному наблюдению.

В ряде горных районов со значительными геологическими

нарушениями (например, Восточные Альпы и др.) на проявле­

ния горного давления оказывают влияние еще и силы тектони­ ческого происхождения.

Эти факторы определяют напряженное состояние массива горных пород, между частицами которого существует равнове­

сие до проведения горных выработок. Напряженное состояние горных пород в нетронутом массиве и вблизи горных вырабо­ ток, как это признано многими исследователями, зависит от глубины разработки [1, 3, 4, 16, 19, 21, 25, 27, 28, 33].

Напряженное состояние горных пород определяется также их физико-механическими свойствами [12, 14]. При одной и той же глубине разработки напряженное состояние различных гор­ ных пород отличается друг от друга.

При неоднородном строении горного массива пласты более крепких пород нагружаются значительно больше, чем заклю­ ченные между ними пласты мягких пород.

Средние значения компонентов напряжения в горном мас­

<зх и Оу — горизонтальные составляющие напряжения, кг/см2;

Т — объемный вес горных пород, т!м2-,

Н— глубина расположения элементарной частицы пород, р. — коэффициент Пуассона.

14

При большой глубине распределение напряжений в нетрону­ том массиве подчиняется гидростатическому закону. При этом

в нетронутом массиве горных пород, находящихся длительное время под нагрузкой. Кроме того, псевдопластическим дефор­ мациям способствуют возрастающая с глубиной высокая тем­ пература горных пород, а так­ же трещины кливажа и мно­ гочисленные поверхности ос­ лабления в массиве горных пород.

Изучение закономерностей проявления горного давления, разработка теории и аналити­ ческих методов определения ве­

личины давления, действую­ щего на крепь выработок, является предметом многочис­

новные направления.

1. Приложение к исследованию горного давления законо­ мерностей сыпучих тел, при этом горные породы в силу нали­

чия трещиноватости, плоскостей напластования, кливажа и т. п.

рассматриваются как тела, до известной степени несвязанные

[9; 11].

2. Разработка расчетных формул, базирующихся на пред­ положении, что горные, породы (в частности, при. исследовании

горного давления применительно к разработке угольных ме­ сторождений) имеют пластослоистую структуру [15].

3.Предположение о том, что горные породы являются Оплошной упругой средой, позволяет при исследовании вопро­ сов горного давления, применять методы, теории сопротивления материалов и теории упругости [4,. 12, 13, 14, 20].

Подтверждение этой гипотезе находят в распространении сейсмических волн в. верхних.слоях земной коры при землетря­ сениях. (Как известно, теория распространения волн основана

на теории упругости.)

4.Предположение, что горные породы являются пластиче­

скими телами, позволяет в вопросах горного давления отводить основную роль теории пластичности [2].

15

Такое разноречивое толкование свойств горных пород и их поведения под нагрузкой, по мнению Е. М. Фаермана [19], объ­ ясняется тем, что горные породы в массиве находятся как бы,

в промежуточном состоянии между упруго-пластическим и сы-,

пучим. Поэтому математическая интерпретация явлений и зако­ номерностей давления горных пород базируется в современных гипотезах как на теории упругости, так и на законах сыпучи" тел. Е. М. Фаерман высказывает также предположение, чт

эти методы могут правомерно использоваться, поскольку для горных пород не существует единого закона, связывающего н< пряжения и деформации.

За последние годы как у нас в СССР, так и за рубежом

большое внимание уделялось исследованиям псевдопластиче-

ского состояния горных пород и роли времени в проявления'

горного давления.

На Международном совещании по горному давлению, со­ стоявшемся в 1958 г. в г. Лейпциге, была отмечена особая роль в исследовании горного давления реологии, т. е. науки о разви­ тии деформаций во времени [38, 39, 40, 41].

Следует указать, что большое значение, с точки зрения про­ явлений горного давления, имеет метод ведения горных работ, которым определяются продолжительность, величина и ско­ рость нарастания нагрузки на отдельные участки горного мас­

сива, воспринимающего давление.

Поведение горных пород под нагрузкой оказывает весьма существенное влияние на проявления горного давления. Одни и те же породы в зависимости от характера нагружения и ве­ личины нагрузки могут вести себя как хрупкие тела или же иметь псевдопластические деформации.

В работе К. Хефера [39], исследовавшего деформации цели­ ков в калийных шахтах, установлено, что постоянная длитель­ ная нагрузка, имеющая место при горных разработках, яв­ ляется причиной появления деформаций, остающихся незаме­ ченными при относительно большой скорости нагружения.

При испытании в лабораторных условиях хрупкого кар­

наллита образцы последнего при обычной скорости нагружения

деформировались очень мало и почти мгновенно разрушались.

Проведенные после этого испытания при медленном нагруже­ нии образцов с поддержанием затем постоянной длительной

нагрузки показали способность образцов получать деформа­ цию в 3 раза большую, чем при обычных скоростях нагруже­ ния.

Аналогичные результаты были получены и при измерении

деформации целиков.

При исследовании образцов карналлита установлено также, что деформации при нагрузке первоначально подчиняются зако­ нам Гука (рис. 2), затем за пределами упругости наступает зона переходной ползучести, имеют место замедленные

16

Скорость боковогорасширения

Рис. 2. Зависимость деформации карналлита от времени:

а — ползучесть карналлита при постоянной нагрузке; б — боковое расширение целика при переменной нагрузке

Рис. 3. Зависимость времени стояния потолочин от их ширины

деформации, после чего следуют зоны постоянной ползуче­ сти образца и ползучести разрушения до момента раздавлива­ ния.

Аналогичные явления псевдопластических деформаций в рудных шахтах Кривбасса наблюдались при исследованиях,, проводимых НИСом Криворожского горнорудного института ,* На рис. 3 представлена зависимость между шириной руд­ ных потолочин и временем их обрушения или оседания после полного обнажения. Время стояния потолочин одинаковой тол­ щины является функцией их ширины. Эти наблюдения, под­ тверждающие наличие псевдопластических деформаций, объяс­ няют причины неудачных попыток расчета потолочин на основе

теории сопротивления материалов.

Р. П. Квапил [26], исследовав энергетическую сторону во­

проса о характере разрушения горных пород, установил, что

сущность отдельных видов разрушения горных пород основы­ вается на законах изменения потенциальной энергии.

Разрушение растрескиванием имеет место в тех случаях, когда потенциальная энергия в породе аккумулируется до пре­ дела упругости, а затем переходит в работу, вызывающую раз­ рушение.

Пластическое разрушение характерно превращением потенци­

альной энергии, накопленной в теле (например, при всесторон­

нем сжатии), в другие виды энергии: кинетическую и тепловую* (излучение).

Разрушение дроблением, характерное для быстрого разру­

шения пород, приводит к явлениям ретардации, т. е. накапли­ ванию потенциальной энергии за пределом упругости (пара­

доксальный закон изменения потенциальной энергии). Момен­

тальный переход потенциальной энергии в кинетическую и бы­

строе динамическое нарастание нагрузки вызывают дробление

горных пород.

В подземных условиях при этом имеет место бурное, мгно­ венное разрушение породы в целиках или в стенках выра­ боток.

Г. Денкхауз [38] при исследовании проявления горного дав­ ления на южноафриканских шахтах установил, что формы проявления горного давления могут быть различными в зави­ симости от свойств горных пород, определяющих величину потенциальной энергии, накапливаемой в горных породах под. нагрузкой, и возможности проявления псевдопластической де­ формации. Чем больше псевдопластические деформации, тем менее горные породы склонны к бурному проявлению горного-

давления, ,и наоборот.

* Работа «Определение параметров камерных систем разработки дл® рудника им. Коминтерна» выполнена в 1953 г. Г. М. Малаховым и А. И. Ар­ сентьевым. Отчет находится в фондах КГРИ.

18