книги из ГПНТБ / Камерная система разработки в горнорудной промышленности С. Г. Борисенко, Ф. А. Копица.1960 - 27 Мб

г

Рис. 229. Кривые для плоской модели камеры:

341

4000 в 1 мин. При таком числе оборотов и температуре 120° мо­

дель вращали в течение 15 минут, после этого температуру по­ степенно снижали до 20° и затем постепенно уменьшали число

оборотов центрифуги.

После испытания в центрифуге делали срезы по камере и целику, которые просматривали в полярископе.

Изготовление модели и испытание ее в центрифуге произ­ водили в лаборатории оптических методов Всесоюзного науч­

Роэрез по ЛИ

Рис. 230. Объемная модель камер и целиков для оптического

моделирования

но-исследовательского института гидротехники им. Веденеева.

Изготовление и исследование срезов были выполнены в Днеп­

ропетровском горном институте.

Результаты испытания срезов представлены на рис. 231.

Как и в плоской модели, максимальная концентрация на­

пряжений имеет место в нижнем углу камеры у висячего бока/

однако концентрация слабее.

параллельно падению месторождения. Точно так же идут изо-

ЛИНИИ Ттах в лежачем боку. Картина полос позволяет судить

о характере работы междукамерного целика как элемента под­

земной конструкции. В междукамерном целике изолинии ттах расположены как при одноосном сжатии равномерно распре­ деленной нагрузкой. Следовательно, междукамерный целик сжимается силами, направленными со стороны висячего бока. Через междукамерный целик нагрузка передается на лежачий

бок, поэтому в лежачем боку изохромы идут так же, как и в

целике.

345

Рис. 231. Изохромы в объемной модели:

а — срез по камере; б — срез по целику

Рис. 232. Изохромы в модели из агар-агара, доведенной до разрушения

346

Зависимость между распределением напряжений вокруг ка­

меры и образованием призмы сползания определяли путем моделирования из материала состава: агар-агара 3%, желатина 1,5%, глицерина 25%, воды 70,5%.

Модель того же типа, что и из желатина, доводили до раз­ рушения путем нагружения сверху (рис. 232). На верхнюю поверхность модели была положена деревянная планка, через которую давление передавалось на модель. При этом первона­ чально увеличивалась концентрация напряжений в углах камеры, затем камера деформировалась и изохромы распро­ странились глубоко в сторону висячего бока. И, наконец, изохрома четко очертила поверхность сдвижений призмы спол­ зания.

Следует отметить, что при моделировании сдвижения пород в центрифуге поверхность сдвижения призмы сползания была

Таким образом, сдвижение пород висячего бока по криволиней­ ной поверхности объясняется тем, что по этой поверхности располагаются изолинии тангенциальных напряжений. Очевид­ но, разрушение пород происходит по той изолинии, где возни­ кающие напряжения больше разрушающих напряжений.

На рис. 232 показано последовательное развитие изохром в модели по мере увеличения нагрузки и формирования призмы

сползания.

5.Заключения о характере сдвижения пород

1.При обрушении кровли в наклонных камерах образуется свод, причем одна пята свода располагается в месте примыка­

ния потолочины к лежачему боку, а вторая пята — в висячем боку, выше почвы камеры примерно на 1/4 ее высоты.

Если обрушение достигает поверхности, то провал ее проис­ ходит в вершине свода, т. е. в районе висячего бока залежи.

Свод в кровле камер образуется в местах, где возникают растягивающие напряжения.

2.При обрушении кровли в горизонтальных камерах обра­

зуется свод, который может распространяться вертикально вверх, причем зона сдвижения пород над камерой ограничи­ вается вертикальными поверхностями.

3.В неустойчивых рудах при интенсивном ведении взрыв­

ных работ в камерах процесс сводообразования распростра­ няется на междукамерные целики. iB целиках происходят выва­

лы руды, и в средней части сечение их оказывается значитель­ но меньше проектного.

4. При обрушении междукамерных целиков происходит сдвижение вмещающих пород, причем образуется призма спол­

347

Глава HI

РАСЧЕТ ЦЕЛИКОВ НА ПРОЧНОСТЬ

1. Обзор литературы по расчету целиков на прочность

Расчету на прочность междукамерных целиков посвящены работы академика Л.. Д. Шевякова, проф. П. М. Цимбаревича, докт. техн, наук К- В. Руппенейта, проф. В. Д. Слесарева и М. А. Липсона.

Л. Д. Шевяков предложил рассчитывать целики как колон­ ны или стены на сжатие, предполагая, что на целики давит вся толща пород от кровли пласта до земной поверхности. При этом учитывается также собственный вес целика.

Метод академика Л. Д. Шевякова разработан применитель­ но к горизонтально залегающим месторождениям, имеющим весьма большие размеры в плане. В этом случае на целики да­ вит вся толща вышележащих пород. Для этих условий метод Л. Д. Шевякова является общепризнанным. По нему рассчи­

таны целики всех основных соляных месторождений Союза.

В. Д. Слесарев считает, что на целики давит столб породы,

залегающий над ними, причем этот столб в свою очередь испы­ тывает реактивное давление со стороны боковых массивов породы. Вследствие этого давление на целики меньше веса толщи вышележащих пород.

Из формулы, предложенной В. Д. Слесаревым для опреде­ ления величины горного давления, следует, что с возрастанием глубины разработки давление падает что противоречит уста­ новившимся представлениям, подкрепленным практикой.

Угол падения залежи В. Д. Слесарев учитывает путем ум­

ножения вертикальной нагрузки, действующей на целик, на косинус угла падения залежи. При приближении угла падения залежи к 90° косинус этого угла стремится к нулю и, следова­ тельно, при угле падения залежи, равном 90°, никакого давле­

ния на целики не будет, что противоречит практике.

П. М. Цимбаревич предлагает рассчитывать целики на сжа­ тие исходя из следующих положений: 1) на целики давит вся

349

толща пород от горизонта расположения целиков до поверхно­ сти; 2) напряжения в целиках получаются значительно боль­

шие, чем от давления столба пород до поверхности, вследствие концентрации напряжений в местах контакта целика с вме­ щающими породами.

Предположение П. М. Цимбаревича о том, что на целики давит вся толща пород от горизонта расположения целиков до поверхности, справедливо только для частного случая, когда

месторождение залегает неглубоко и имеет значительные раз­

меры в плане. Такие условия встречаются при разработке со­

ляных месторождений.

К- В. Руппенейт в основу предложенного им метода расчета кладет те же предпосылки, что Л. Д. Шевяков и П. М. Цимбаревич, а именно: 1) на целики давит вся толща пород от гори­ зонта расположения целиков до поверхности; 2) месторождение залегает горизонтально.

Отличие метода К. В. Руппенейта от методов, указанных выше, заключается в том, что он предлагает рассчитывать целики не по допускаемым напряжениям, а по допускаемым нагрузкам.

Допускаемую нагрузку К. В. Руппенейт определяет, поль­

зуясь методами теории пластичности. В качестве условия пре­

расчета необходимо определить два параметра огибающей кру­ гов напряжений.

Для этого автор рекомендует производить испытание на сжатие ряда призматических образцов с различным отноше­ нием сторон, причем отмечает, что производство таких испыта­ ний является сложным вследствие трудности изготовления образцов.

Из краткого изложения предложений К. В. Руппенейта сле­ дует, что автор рассматривает лишь ограниченную группу го­ ризонтально залегающих месторождений, имеющих большую площадь. Предложение автора о расчете целиков по допускае­ мым нагрузкам несомненно справедливо. Но производство та­ ких расчетов пока еще затруднительно вследствие слабой изу­

ченности механических свойств горных пород.

При расчете потолочин К. В. Руппенейт отказывается от этого метода. Он считает, что нормальная эксплуатация неза­ крепленных выработок требует полного устранения угрозы вы­ валов, поэтому потолочина может быть признана достаточно устойчивой при условии, если появляющиеся в ней растягиваю­

щие напряжения настолько малы, что не могут служить при­ чиной возникновения трещин. Появление трещин приводит к концентрации напряжений у концов их, что, в свою очередь, может явиться причиной местных вывалов.

350

В зарубежной литературе каких-либо предложений по рас­ чету на прочность междукамерных целиков автор не обнару­ жил.

Обзор литературы по расчету на прочность междукамер­ ных целиков позволяет сделать вывод, что в настоящее время нет методов расчета целиков, пригодных для условий разра­ ботки крутопадающих рудных месторождений/

2. Общие принципы работы подземной конструкции

Подземная конструкция при разработке крутопадающих месторождений представляет собой ряд камер, отделенных одна ©т другой междукамерными целиками.

Рис. 233. Принципиальная схема подземной конструкции

Выработанное пространство, находящееся выше камер, за­ полнено обрушившимися породами и отделено от камер меж­ дуэтажным целиком или потолочиной.

Принципиальная схема такой конструкции показана на рис. 233.

Подземные конструкции являются весьма сложными вслед­ ствие следующих их особенностей:

4) камеры имеют неправильную форму; стенки камер не

вертикальны, а наклонены под углом падения' залежи; 3) ка­ меры ограничены сверху междуэтажным целиком, выше кото­ рого расположены обрушившиеся породы; 4) камеры и целики в совокупности образуют сплошную пространственную систему; 5) в целиках, окружающих камеры, пройдены различные выработки.

351

Чтобы создать прочную подземную конструкцию, необхо­ димо определить размеры отдельных элементов ее, т. е. камер и междукамерных целиков.

После выемки камер в толще горных пород происходит пе­

рераспределение ранее существовавших напряжений. Очевидно,

подземная конструкция будет прочной, если напряжения вокруг камер и в целиках не будут превышать допускаемых. Характер распределения напряжений можно установить путем оптиче­ ского моделирования, но рассчитать на прочность таким спо­ собом целики и камеры в настоящее время сложно. Вычислить

напряжения математическим путем также не представляется

■Моделирование сдвижения пород и оптическое моделирова­

ние распределения напряжений позволяют создать определен­

приближенный метод расчета их. Опыты показали, что между-

камерные целики играют роль подпорных стенок, удерживаю­ щих от сдвижения вмещающие породы.

Кроме того, ранее было доказано, что горные породы вслед­ ствие наличия в них большого количества трещин можно рас­ сматривать как сыпучую среду со связью между частицами.

Эти два положения позволяют применять для расчета цели­ ков теорию предельного равновесия, которой широко поль­

зуются в статике сооружений.

При определении по теории предельного равновесия нагруз­ ки, действующей на целики, принимают следующие допущения:

1)поверхность сдвижения призмы сползания является плоской;

2)целики под действием нагрузки деформируются, вследствие

чего создаются условия, при которых начинает формироваться призма сползания и стабилизируется давление.

Наличие значительных деформаций междукамерных цели­

ков подтверждается наблюдениями, проведенными в 1952 г. на Дегтярском медном руднике. Горизонтальные и вертикальные

смещения реперов в целике 15 за период апрель-сентябрь 1952 г. имели следующую величину>

352

На рис. 234 приведен разрез по целику 15, цифрами пока­ зано расположение реперов.

Рис. 234. Разрез по междукамерному целику 15 на Дег­ тярском руднике

Следовательно, на Дегтярском руднике в период, когда про­ водились наблюдения, междукамерные целики деформировались со скоростью 40—'60 мм в месяц.

3. Определение нагрузки, действующей на целики

При деформации междукамерных целиков породы сдви­ гаются в объеме призмы сползания. В вышележащем вырабо­ танном пространстве находятся обрушившиеся породы, которые в сечении имеют форму клина. Следовательно, для определения нагрузки, действующей на междукамерные целики, необходимо рассмотреть в состоянии предельного равновесия систему, со­

стоящую из монолитных пород в объеме призмы сползания и обрушенных пород в объеме клина.

Возможны три случая взаимодействия призмы сползания и клина: 4) первоначально приходит в движение разрыхленный материал в объеме клина, затем сдвигается призма; 2) перво­ начально сдвигается призма; 3) клин и призма сдвигаются од­ новременно вследствие истечения некоторого количества мате­ риала из объема клина.

Рассмотрим первый случай (рис. 235).

Породы в объеме клина FBED подобны насыпному грузу в бункере с наклонными стенками. Разрыхленные породы, нахо­ дящиеся в объеме клина, давят на грань ГВ призмы сползания.