Геомеханические процессы при подземных разработках. Практикум

Рис. 1.7. График деформирования горных пород

Склонность пород к хрупкому разрушению определяется способностью пород рассеивать накапливаемую потенциальную энергию и оценивается соотношением модуля спада полной диаграммы деформирования M к модулю упругости E согласно рис. 1.7:

Если x > 1, то горные породы считаются склонными к динамическим проявлениям.

С увеличением глубины ведения горных работ вероятность проявления динамических явлений возрастает. Это происходит потому, что действующие в породном массиве напряжения увеличиваются за счет роста гравитационной составляющей. При достижении определенных «больших» глубин, действующие напряжения достигают предела прочности горных пород, слагающих массив, и, накладываясь на высокие упругие свойства, создают неблагоприятные условия.

Месторождение считается удароопасным с глубины Н1, если в горных породах, составляющих не менее 10% от планируемого к отработке объема, x > 1 и измеренное или расчетное главное напряжение превышает предел прочности породы при одноосном сжатии.

21

Месторождение считается потенциально удароопасным с глубины H2, если в горных породах, составляющих не менее 10% от планируемого к отработке объема, x > 1 и наибольшее горизонтальное напряжение на наиболее напряженных участках месторождения превышает 80% от предела прочности на одноосное сжатие [7].

При выявлении склонности пород массива к динамическим явлениям на месторождении производится геодинамическое районирование.

Земная кора представляет собой блочно-иерархическую структуру, в которой разломы различных рангов, ограничивающие блоки, являются как генераторами, так и проводниками интенсивного энергомассопереноса. Энергообменные процессы приводят к изменению напряженно-деформированного состояния блочного массива и проявлению на тех или иных участках тектонически-на- пряженных или разгруженных зон, деформаций массива горных пород и земной поверхности, повышенной сейсмичности [7].

Целью геодинамического районирования является изучение блочно-иерархаичной структуры месторождения и на основании ее исследования (изучения карт, математического моделирования, натурных наблюдений)выделение участков месторождения, находящихся в напряженном состоянии.

Для выделения и картографирования зон разломов, слоев пород и участков породного массива, находящихся в напряженном состоянии применяются непрерывные сейсмоакустические наблюдения, основанные на мониторинге массива горных пород на сейсмостанциях.

На основании информации, накопленной на сейсмостанциях, выделяются зоны активизации сейсмических и геодинамических процессов, составляются карты плотности сейсмических событий и карты плотности сейсмической энергии, определяются параметры сейсмических событий и их пороговые значения.

Пороговые значения параметров сейсмических событий определяются для каждого пласта по информации, накопленной не менее чем за шесть месяцев его проведения, и включаются в документацию, в соответствии с которой осуществляется данный прогноз [4].

В массивах, сложенных породами, склонными к динамическим явлениям, производится локальный прогноз и выявляются участки категории «опасно».

22

В зависимости от назначения горных работ (разработка месторождений, строительство подземных объектов), типа разрабатываемого месторождения применяемые методы прогнозирования различны.

Однако базовым методом по оценке напряженности массива является метод, основанный на делении выбуренного керна на диски. Данным методом определяют уровень действующих в массиве напряжений. Свойство разрушения керна на диски определяется склонностью породного массива к хрупкому разрушению, а толщина дисков tопределяется уровнем действующих напряжений. Чем выше действующие в массиве напряжения, тем интенсивнее происходит дискование керна, а толщина дисков меньше (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Дискование керна при высоких действующих напряжениях

Для определения величин и направлений главных напряжений, действующих в массиве, применяют метод разгрузки. Он базируется на использовании характеристик упругого восстановления элементов массива (выбуриваемых кернов) при снятии с них нагрузки путем отделения от основного массива (при выбуривании керна из породного массива).

Предсказание времени является самым сложным процессом в прогнозировании динамических явлений в виду того, что динамические явления происходят спонтанно, как следствие, дей-

23

ствия множества факторов, срабатывающих в условиях высоких действующих напряжений при высоких упругих свойствах пород массива. Поэтому прогноз динамических явлений во времени производится в рамках текущего прогноза, проводимого для обеспечения безопасности в каждом цикле производства горных работ по признакам и методам, перечисленным выше.

Все мероприятия по предупреждению динамических явлений

основываются на способах управления горным давлением, направленных [3]:

1)на снижение действующих в массиве напряжений;

2)уменьшение способности пород накапливать упругую энергию деформирования;

3)дегазацию породного массива (дополнительно для газодинамических явлений).

Данные мероприятия могут применяться как по отдельности, так и комплексно.

По масштабам действия меры по предупреждению динамических явлений делятся на региональные и локальные.

Региональные меры охватывают обширные участки породного массива. К ним относятся:

– опережающая отработка защитных слоев (пластов, залежей);

– профилактическое увлажнение или рыхление пласта впереди очистных выработок или на подготавливаемом горизонте;

– предварительная дегазация массива.

Для охраны отдельных выработок и забоев применяются локальные меры предупреждения динамических явлений. К ним относятся:

– бурение опережающих разгружающе-дегазирующих скважин из действующих выработок;

– создание разгрузочных врубов и щелей;

– камуфлетное и сотрясательное взрывание;

– применение гидравлических способов (низконапорное увлажнение, гидровымывание полостей и щелей, гидрорыхление, гидроотжим);

– охлаждение призабойной части массива;

– физико-химическое и микробиологическое воздействие на призабойную часть массива;

– возведение бутовых полос.

24

1.3. Геомеханические процессы при сдвижении горных пород вокруг горных

выработок

Одним из видов геомеханических процессов, происходящим в породном массиве при ведении горных работ, является сдвижение горных пород (перемещение и деформирование пород вокруг выработанного пространства). Начинается сдвижение с прогиба кровли выработки. По мере увеличения выработанного пространства в процесс сдвижения вовлекается все большая часть массива и при определенных условиях сдвижение достигает земной поверхности и расположенных на ней объектов. В данном случае управление геомеханическими процессами производится в целях сохранения и безопасной эксплуатации всех подрабатываемых объектов (наземных и подземных).

Методы управления геомеханическими процессами при сдвижении горных пород и земной поверхности базируются на специальных способах ведения горных работ (горные меры охраны), а также способах усиления конструкции охраняемых объектов или снижения восприятия данными объектами деформаций, возникающих в процессе ведения горных работ (конструктивные меры охраны). Наиболее эффективными являются горные меры охраны, однако применение данных мер часто приводит к необходимости изменения принятых систем разработки в зоне влияния горных работ на охраняемые объекты.

Часть породного массива, подвергшаяся сдвижению, называется областью сдвижения горных пород, а соответствующая часть земной поверхности – мульдой сдвижения (рис. 1.9) [5].

Границы мульды на земной поверхности пласта определяются граничными углами (g0, b0 и d0 (по простиранию)).

При определенных условиях разработки (глубине разработки

иразмерах выработанного пространства) в мульде образуется участок, на котором оседания земной поверхности принимают максимально возможные значения при данной вынимаемой мощности

иугле падения пласта (залежи) и носят равномерный характер распределения, а горизонтальные перемещения отсутствуют. Данный участок называется плоским дном мульды (см. рис. 1.9). В связи с тем, что деформации являются результатом неравномерности перемещений, в плоском дне мульды остаточные дефор-

25

мации будут минимальны. Возникать они будут лишь в процессе формирования плоского дна мульды вдоль подвигания забоя.

Рис. 1.9. Сдвижение горных пород с образованием мульды сдвижения с плоским дном на земной поверхности: 1 – область сдвижений; 2 – область полных сдвижений

Образование плоского дна мульды и его свойства объясняются тем, что при определенных соотношениях глубины разработки и размеров выработанного пространства область полных сдвижений (см. подразд. 1.1) выходит на земную поверхность. Плоское дно является частью области полных сдвижений и обладает свойствами этой области.

В связи с тем, что разрушение подрабатываемых объектов происходит за счет действия на них деформаций, возникающих от влияния горных работ, при организации мероприятий по охране подрабатываемых объектов применяются способы ведения горных работ с образованием под объектами плоского дна мульды. Данные способы защиты подрабатываемых объектов применяются при отработке одиночных пластов без оставления целиков.

При отработке свит пластов или одиночных пластов с оставлением целиков необходимо учитывать влияние каждой проводимой выработки. Это можно сделать, зная, что каждый вид деформаций имеет свой закон распределения в пределах мульды. Выработки располагаются таким образом, чтобы максимально

26

компенсировать опасный вид деформации для данного охраняемого объекта.

В определенных случаях технически невозможно или экономически не выгодно управлять геомеханическими процессами вышеперечисленными методами. В этом случае под охраняемым объектом оставляется целик.

27

2. Практическая работа 1. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ЗОН ОПОРНОГО

ДАВЛЕНИЯ

Цель работы: при разработке свит пластов оценить степень влияния зоны опорного давления, возникающей в результате проведения очистной выработки по одному из пластов,на безопасность отработки остальных пластов из свиты.

Исходные данные

В результате ведения горных работ по угольному пласту K2, залегающему в свите пластов, была пройдена очистная выработка.

Планируется разработка вышележащего K1 и нижележащего K3 угольных пластов. Вследствие того что отработанный пласт K2 и планируемые к отработке пласты K1 и K3 являются сближенными, необходимо установить границы зон опорного давления и оценить степень их влияния на планируемые горные работы в пластах K1 и K3. Горно-геологические условия ведения горных работ приведены в табл. 2.1 [7].

Примечание. K – номер студенческой группы; N – порядковый номер студента по журналу.

Требуется:

1. Определить параметры зон опорного давления и построить их на вертикальном разрезе вкрест простирания пласта в масштабе 1:2000.

28

2. Произвести оценку влияния зон опорного давления на планируемые к разработке пласты.

Методические указания

Параметры зон опорного давления (далее – зон ПГД) необходимо определить в следующей последовательности:

1.По графику (рис. 2.1.) с учетом глубины горных работ H

имощности m влияющего пласта K2 определить ширину зоны ПГД в плоскости пласта l.

Рис. 2.1. График зависимости ширины зоны ПГД от глубины разработки и мощности отрабатываемого пласта

2. Размеры зон ПГД в сторону кровли d1и почвы d2 пласта K2 найти по табл. 2.2. с учетом ширины выработанного пространства а и глубины Н.

29

3. Определить значения углов защиты (d1, d2, d3, d4,) в зависимости от угла падения пласта α по табл. 2.3.

4.С учетом установленных размеров зон ПГД в сторону кровли

ипочвы пласта K2, значений углов защиты на разрезе вкрест простирания пласта построить границы зон ПГД (красным цветом) и определить их влияние на угольные пласты K1и K3 (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Построение зон ПГД

30