Геомеханическое обеспечение горных и горно-строительных работ. Ч.1. Геомеханическое обеспечение подземных горных работ. Учебное пособие

3.Геомеханическое обеспечение устойчивости массива

3.1.Формирование зон предельного напряженного состояния

массива при техногенных воздействиях

При проведении крупномасштабных горных работ в массиве проявляются сейсмичность разной интенсивности, а также подвижки по разломам и нарушениям. При этом образуются зоны предельного напряженного состояния – ПНС – вид, форма, условие существования геомеханической системы, включающие наличие потенциальной энергии и стимулирующие постоянные изменения нестабильности массива такими запасами энергии, которые приводят к опасности реализации катастрофических событий. На рис. 2.2 приведено изменение упругой энергии деформирования в массиве. Изучение природы образования зон ПНС, их взаимодействия, видоизменений позволяет управлять поведением массива горных пород для достижения безопасного и экологического освоения недр.

Рис.2.2 Изменение энергии во времени при техногенном воздействии:

1– естественный процесс накопления и диссипации энергии;

2– изменение энергии под действием импульсных нагрузок (взрыв, сейсмическая подвижка);

31

3 – изменение энергии при реализации разрушения и диссипации накопленной энергии;

W0 – начальное значение энергии в массиве, Wкр - переходное значение от накопления энергии к разрушению.

По инструментальному прогнозу и анализу сейсмических циклов во времени можно прогнозировать зоны устойчивости и перехода к неустойчивому состоянию, что позволяет повысить безопасностьгорных работ.

ВЮАР в аналогичных условиях проводят сейсмический мониторинг массива. При этом определяют местоположение источника сейсмической эмиссии и принимают меры по предотвращению геодинамической активности. Для заполнения пустот на рудниках ОАО «Сильвинит» за последнее десятилетие в 3 раза увеличили объемы закладочных работ (до 6 млн. т соляных отходов в год). При этом средний уровень сейсмоактивности подработанных массивов уменьшился в 2 раза. В условиях отработки залежей под водой (что запрещено Правилами безопасности) при подвижках массива происходит прорыв воды и затопление рудника.

Вслучае пересечения ствола на глубине более 4 км геологическим нарушением в ЮАР за его обделку закачивают жидкий асфальт. О циклических подвижках массива вдоль нарушения судят по изменению уровня асфальта к устью ствола. При этом за счёт отсутствия подвижек обделки ствола инфраструктура внутри неё остаётся стабильной.

3.2. Устойчивость массива

Под устойчивостью горного массива с выработками следует понимать способность горных пород оставаться в упругом состоянии, а под потерей устойчивости – переход в колебательный режим, который связан с «нарезанием» поверхностей скольжения.

Одним из основных вопросов при подземных работах является обеспечение устойчивого состояния подземных выработок.

32

Под устойчивостью подземных выработок следует понимать состояние, удовлетворяющее в течение заданного срока требованиям эксплуатации и техники безопасности в отношении формы, размеров поперечного сечения и продольного профиля горных выработок. Под устойчивостью массива горных пород понимают его свойство сохранять стабильное обнажение при проведении горных выработок. Основными формами потери устойчивости выработок в общем случае являются: вывалообразование, разрушение пород в зонах предельной концентрации, внезапные выбросы горной массы и газа, горные удары. Для оценки устойчивости горной выработки при хрупком разрушении в зонах предельнойконцентрациинапряженийприменяютметодсопоставленияпрочности пробы с действующими на контуре выработки максимальными напряжениями с учётом определенного коэффициента запаса прочности.

3.3. Региональные способы управления устойчивостью массива

Региональные способы управления устойчивостью массива основаны на анализе состояния массива и интенсивном воздействии на него

вследующих направлениях:

-оценка напряженного и газодинамического состояния в районе шахтного поля;

-опережающая отработка защитных пластов;

-дегазация в зонах разгрузки и гидрообработка опасных участков.

Порядок проектирования и перевода шахт и рудников на новые планировочные решения следующий:

-выделение блочной структуры горного массива и напряжений в каждом блоке;

-оценка динамической опасности пластов и других вредных проявлений горного и газового давления;

33

-анализ наличия сближенных пластов и использование их в качестве защитных, применение схем дегазации и осуществление региональной гидрообработки пластов;

-раскройка и оптимальная отработка шахтного поля;

-технико-экономическая оценка проектно-планировочных решений. Порядок применения этих способов определен в десятках инструк-

тивных, нормативных и методических документов, регламентирующих безопасноепланированиеиотработкувыбросоиудароопасныхпластовых месторождений [13,17,18].

Основные положения состоят в следующем:

-определение границ, защищенных от динамических явлений;

-построение границ зон ПГД, опасных по динамическим явлениям;

-расчёт предельных размеров целиков;

-выявление мест расположения подготовительных и капитальных выработок, в которых их проведение безопасно, а поддержание не требует больших капиталовложений;

-проектирование развития горных работ как в целом по месторождению, так и по отдельным его участкам;

-решение вопросов о выборе мест закладки стволов и расположения основных горных выработок;

-раскройка месторождения границами шахтных полей с определением порядка их отработки;

-выбор оптимальных вариантов развития очистных работ в пределах шахтного поля.

Проведём анализ практики английской фирмы RMT (Rock mechanics Technology), консалтинговые услуги в области геомеханического обеспечения подземных горных работ которой используют шахты Англии, США, Австралии, ЮАР. На обслуживаемых фирмой предприятиях производительность находится на высоком уровне. Добычу угля в Великобритании

34

проводят частные шахты на глубине до 1700 м. Поле напряжений неравномерное и весьма переменное, что оказывает влияние на планировочные решения, выбор способа которых основан не только на компьютерном анализе полей напряжений, но и на экспериментальном определении величины и направлений напряжений. В Великобритании, как и во многих других странах мира, обнаружено, что нетронутое поле напряжений включает вертикальную и две горизонтальных составляющих.

Вертикальная составляющая прямо пропорциональна глубине. Соотношение между максимальными и горизонтальными компонентами горизонтальных напряжений может составлять до 2:1. Это соотношение определено движением европейской и атлантической плит. Однако на шахте величина и направление поля напряжений могут быть модифицированы геологической структурой и взаимодействием со старыми горными выработками. Считают, что важно измерить поле напряжений по крайней мере на одном участке шахты для создания местной схемы напряжений.

Последние 20 лет на шахтах WC (World Class) мирового уровня применяют такую планировку, когда направление движения лавы направлено на максимальные горизонтальные напряжения. Из анализа горного давления при движении механизированного очистного комплекса относительно траектории максимального горизонтального напряжения под углами встречи α = 0° и 30° следует, что напряжения в краевой части пласта при α = 00 максимальны, а при α = 30° – превосходят начальные. Таким образом, раскройка шахтного поля и высокопроизводительная выемка пласта тесно связана с направлением действия гор. . Так, при отработке пласта мощностью 7 м с применением оборудования фирмы JOY на глубине 900 м на шахте «Доу Милл» 480 человек обеспечивают добычу в 3,5 млн. т товарного угля.

35

3.4. Локальные меры по управлению устойчивостью

Локальные меры по управлению устойчивостью выработок и геоконструкций направлены на обеспечение безопасности работ при:

-очистной выемке опасных пластов;

-выемке оставленных целиков на опасных пластах;

-вскрытии опасных пластов;

-проведении и поддержании подготовительных выработок.

Существует несколько способов приведения объектов в безопасное состояние:

-изменение механических свойств краевых частей пласта нагнетанием воды, бурением разгрузочных и дегазационных скважин, щелей, ка-

муфлетным и сотрясательным взрыванием; - изменение напряженного состояния и дегазация участка пласта

на основе защитной выемки смежных пластов; - внедрение анкерного крепления при проведении выработок.

Порядок применения локальных способов определен в ряде нормативных документов. Остановимся на методе быстрой подготовки пластовых выработок для высокопроизводительных лав в глубоких шахтах. Опыт угледобычи шахт США, Австралии, Германии, ЮАР свидетельствует о том, что ключевым техническим требованием успеха являются штрековые выработки. Их можно быстро проходить, свести к минимуму трудности на сопряжении лавы со штреком, они сохраняют профиль и надёжны

вэксплуатации. Достижения основаны на трёх основных факторах:

-планировка шахты, которая обеспечивает горные условия, благоприятные для устойчивости штрека как при подготовке, так и при обратном ходе лавы;

-штрек прямоугольного профиля с применением анкерногокрепления;

-внедрение проходческих комбайнов с бурением и анкероустановщиком.

36

Анкерное крепление внедрено в угольную промышленность Великобритании с применением систематического расчёта, основанного на детальных измерениях смещений кровли, нагрузки анкеров и текущем контроле за поведением кровли и бортов штрека. Такой подход необходим для обеспечения устойчивости контура и безопасных условий в одноустьевых штреках, проходимых на глубинах порядка 1200 м. Переход на анкерное крепление в сочетании с технологией быстрой проходки и применением проходческих комбайнов оказало значительное влияние на производительность и безопасность. Это имело первостепенную важность при успешной перестройке глубоких шахт угольной промышленности Англии. В настоящее время проходку и поддержание свыше 90% штрековых выработок осуществляют таким образом.

Рассмотрим основные принципы геомеханического обеспечения при проходке, охране и поддержании штреков.

Теория и результаты измерения указывают на то, что наибольший компонент напряжений в непосредственной кровле штрека будет горизонтальный. Первоначальное напряжение, действующее поперек штрека, перераспределяется вокруг выработки и концентрируется в кровле и почве. Причем с увеличением значений горизонтального напряжения зона разрушения в кровле увеличивается.

Из этого следует, что легче укрепить выработки, проходимые параллельно максимальной горизонтальной составляющей горного давления, чем проходимые перпендикулярно. Как следует из практики, изменение угла встречи на 10° приводит к снятию напряжений с одного сопряжения лавы со штреком и увеличение на другом на 30%.

Степень концентрации напряжений зависит от первоначального поля напряжений, жесткости породы, а также относительного направления очистной панели.

37

Жесткость систем анкерного крепления с заливкой анкера на полную длину зависит от прочности сцепления и прочности материала. Действие анкеров – прямое сопротивление сдвигу кровли и обеспечение крепкого удержания кровли так, чтобы значительно повысить прочность по сдвигу кровли. Этому отвечает система, в которой прочность анкера при пределе текучести и весьма прочной и жесткой смоле – 25 т, сцепление смолы

спородой составляет 10 МПа. Основой успеха применения анкерного крепления служат контрольно-измерительные приборы: анкерная крепь

стензодатчиком, магнитные анкеры-экстенсометры, устройства визуального контроля за деформацией и сближением (указатели), системы записи и передачи информации диспетчеру, измерители напряжений С SIRO и ANZI.

Производственный опыт шахт Великобритании показывает, что типичная скорость быстрой выемки с обратным ходом лавы составляет более 60 м/неделю. С внедрением в штрековые выработки прямоугольного сечения и применением проходческих комбайнов с одновременным анкерованием стабильная скорость проходки составляет 150 м/неделю. При этом

длина анкера в кровлю – 2,4 м, в борта – 1,8 м, а количество анкеров – 543 штук/метр.

После внедрения анкерных систем произошло значительное снижение несчастных случаев с 47 до 13. Количество обрушений кровли в штреках сократилось от 3,4 до 0,9 событий на 100 000 человеко-смен.

3.5. Геомеханическое обоснование вскрытия месторождения

Анализ состояния техники и технологий на рудных шахтах свидетельствует о том, что имеют место две схемы работ – с применением либо переносного, либо самоходного оборудования.

38

Обувеличенииэффективностиосвоенияместорожденияврезультате замены переносного оборудования комплексом самоходных машин можно судить по табл. 3.1 (Волков Ю. В., 2005г).

При комбинированной разработке с учётом геомеханического определения углов и обоснования зоны сдвижения предложено технологическое решение их освоения.

Вскрытие мал ы х месторождений ( сзапасом до 50 млн. т) обычно осуществляют двумя вертикальными стволами (клетевым и скиповым) на один или два этажа. Для вскрытия последующих этажей производят их углубку, что связано с потерей эффективности добычи руды. До глубины 500-600 м предлагают вскрывать двумя автоуклонами (транспортным и вспомогательным), что позволяет поэтапно вводить запасы в эксплуатацию.

При этом в условиях активного действия тектонических сил следует проводить безэтажную или этажную выемку снизу вверх при системах разработки, предусматривающих закладку пасты в выработанное пространство.

Это устраняет концентрацию напряжений в районе ведения горных работ, повышает устойчивость кровли очистных камер, исключает разубоживание, позволяет размещать в выработанном пространстве всю отби-

39

ваемуюпородную массу, поступающую из проходческих породныхзабоев, а также «хвосты» обогащения или предварительной концентрации сырья. При системах собрушением вмещающих породможно применить системы подэтажных штреков с торцовым выпуском.

Увеличение длины выработок при вскрытии автоуклонами компенсируется снижением затрат за счёт уменьшения стоимости их проходки и эксплуатации по сравнению с вертикальными стволами.

Средние по запасам месторождения (до 100 млн. т) традиционно вскрывают скиповым и клетевым стволами, а также вспомогательными наклонными съездами. Расположение вертикальных стволов за зоной возможного сдвижения карьера обусловливает проведение довольно длинных квершлагов на основных горизонтах. Это влечет за собой увеличение затрат на проведение и поддержание выработок, а также на вентиляцию. Такие месторождения следует вскрывать наклонным стволом (под углом 25-30°) или автоуклоном. В этом случае длина выработок сокращается в 1,5 раза.

Крупные месторождения (свыше 100 млн. т) вскрывают вертикальными стволами (до 4-х скиповым, клетьевым, закладочным), на флангах проходят вентиляционные стволы. Применение самоходного оборудования связано с автоуклонами. С увеличением глубины отработки (ниже 600 м) существенно возрастает общая длина этажных квершлагов. С целью их сокращения проходят слепые стволы, спиральные съезды, отработку ведут снизу вверх. Подземная геотехнология с восходящей выемкой самообрушением, при которой месторождение вскрывают на всю глубину и отработку ведут с первого этажа, является не связанной с карьерной отработкой, отвечает принципам малозатратности и экологически безопасна. Есть опыт, когда после завершения открытых работ начинают подземную добычу в восходящем порядке по системе блокового самообрушения. Например, медные рудники «Palabora» (ЮАР), «Эльтеннент»

40