Введение

Развитие горнодобывающей промышленности идет по пути освоения месторождений наиболее ценных руд, залегающих в благоприятных, с технологической точки зрения, условиях. В результате сложившейся тенденции, в настоящее время практически отсутствуют разведанные месторождения полезных ископаемых с простыми горно-геологическими и горнотехническими условиями. Поэтому вопросы технологии подземной разработки руд в современных сложных условиях приобретают особую актуальность.

Рассматриваемые в настоящем пособии сложные условия подземной разработки весьма широко распространены и имеют, зачастую, тесную взаимосвязь. Так, подавляющее большинство месторождений цветных металлов характеризуются неравномерным орудинением. При постоянном росте глубины горных работ повышается вероятность возникновения горных ударов. Сложно найти пример комбинированной открыто-подземной разработки месторождения без решения вопросов обеспечения сохранности подрабатываемых объектов и т.д.

Подземная разработка в сложных условиях, как правило, требует серьезного геомеханического обеспечения, поэтому в пособии уделено большое внимание геомеханическим аспектам реализации технологии.

Все разделы учебного пособия сопровождены наглядными примерами из практики горных работ и контрольными вопросами для самопроверки.

1. Технология разработки руд под охраняемыми

объектами

1.1. Общие сведения

Все сооружения и природные объекты по своему значению, конструктивным особенностям, характеру эксплуатации и возможных повреждений при подработке подразделяют на три категории охраны (табл. 1.1).

Для определения границ ожидаемой зоны опасных сдвижений на план поверхности наносят контуры очистных работ рассматриваемого горизонта. На вертикальных разрезах вкрест простирания и по простиранию от нижней границы очистных выработок данного горизонта проводят линии по углам сдвижения до пересечения с земной поверхностью; полученные точки пересечения переносят на план поверхности и соединяют плавной линией (рис. 1.1). Аналогично по углам разрывов производят построение зоны трещин. В зоне трещин (рис. 1.2) возможно располагать менее ответственные сооружения (объекты 3 категории охраны).

При разработке, например, пологопадающих рудных залежей системами разработки с естественным поддержанием выработанного пространства сдвижению горных пород препятствуют оставленные междукамерные и барьерные целики. Если они сохраняют устойчивость, то оседание кровли камер составляет первые миллиметры. По мере удаления от контура выработанного пространства смещения вышележащей толщи пород достаточно быстро затухают, оседаний земной поверхности не происходит. Поэтому на подрабатываемых площадях могут сохраняться различные природные объекты, здания и сооружения (инженерные коммуникации, дороги и пр.).

Таблица 1.1

Классификация объектов по категориям охраны

1	2	3
1. Сооружения основного подъемного комплекса; 2. Компрессорные станции производительностью свыше 100 м3/мин; 3. Магистральные железные дороги; 4. Многоэтажные жилые дома; 5. Основные стволы; 6. Стволы и камеры подъемных машин, слепых стволов; 7. Основные здания заводских цехов и дымовые трубы; 8. Русла больших рек, естественные и искусственные водоемы.	1. Сооружения основных вентиляционных шахт; 2. Компрессорные станции производительностью 100 м3/мин и менее; 3. Железные дороги местного значения; 4. АБК, здания жилые и общественные (2-3 эт.); 5. Шахтные и заводские котельные; 6. Опоры высоковольтных линий электропередач и электроподстанций; 7. Основные центральные и фланговые вентиляционные стволы, шурфы; 8. Камеры общешахтного назначения; 9. Основные капитальные откаточные выработки: квершлаги, полевые штреки; 10. Основные выработки.	1. Опоры вспомогательных ЛЭП местного значения; 2. Шоссейные дороги; 3. Канализационные колодцы и коллекторы; 4. Одноэтажные здания; 5. Сады, парки, водоемы; 6. Выработки, предназначенные для обслуживания одного этажа или его части; 7. Участковые камеры; 8. Участковые вентиляционные сбойки; 9. Рудные залежи.

Рис. 1.1. Построение зоны сдвижения горных пород:  - угол падения рудного тела;  - угол сдвижения в наносах; , ₁,  - углы сдвижения в коренных породах соответственно по висячему, лежачему бокам и простиранию месторождения; - ширина бермы безопасности

Рис. 1.2. Сдвижение горных пород при подземной разработке:

1 – граница области сдвижения; 2 – граница зоны трещин;

3 – граница зоны обрушения

Следовательно, оставление рудных целиков является горной мерой охраны объектов, расположенных на подрабатываемой земной поверхности.

При разрушении или извлечении междукамерных целиков (МКЦ) начинается процесс сдвижения подработанной толщи пород. В сдвигающейся налегающей толще различают зоны обрушения (непосредственно над выработанным пространством) и плавного прогиба (выше зоны обрушения). Если зона обрушения не достигает земной поверхности (пустоты забутовались обрушенными породами или образовался свод естественного равновесия), на ней образуется мульда сдвижения – часть земной поверхности, затронутая сдвижением горных пород (см. рис. 1.2).

В мульде сдвижения происходят смещения земной поверхности – оседания и горизонтальные смещения. За границу мульды сдвижения, как правило, принимают точки земной поверхности, в которых зарегистрированы оседания 5÷10 мм. Точка с максимальным оседанием называется центром мульды.

Максимальное оседание () – это наибольшая вертикальная составляющая векторов сдвижения точек при закончившемся процессе сдвижения.

Разные точки мульды смещаются по-разному. Общий характер сдвижения земной поверхности заключается в следующем. Оседания, минимальные на границах мульды, увеличиваются к центру, где достигают своего максимума. Из-за разницы в оседаниях возникают наклоны земной поверхности.

Максимальный наклон () – наибольшее отношение разности оседаний двух данных точек мульдык горизонтальному расстоянию между нимиL.

(1.1)

Горизонтальные смещения, как правило, направлены от границ мульды к ее центру. Из-за различия в горизонтальных смещениях появляются горизонтальные деформации земной поверхности. Вблизи границ мульды земная поверхность растягивается, появляются горизонтальные деформации растяжения. Они приводят к образованию на земной поверхности трещин разрыва, оконтуривающих мульду сдвижения. Центральная часть мульды сжимается, возникают горизонтальные деформации сжатия.

Максимальное горизонтальное смещения (Е) - наибольшее отношение разности горизонтальных длин интервала, измеренных при закончившемся процессе сдвижения и до подработки к первоначальной длине интервала.

(1.2)

Весьма опасными для охраняемых объектов являются наклоны и горизонтальные деформации земной поверхности. Для высоких объектов наиболее опасными являются наклоны земной поверхности. Для линейных инженерных коммуникаций (железные дороги, водоводы, теплотрассы и т.п.) более опасны горизонтальные деформации. Для всех объектов на земной поверхности «Правилами охраны сооружений от вредного влияния подземных выработок...» установлены допустимые (предельные) деформации (табл. 1.2). Внутри мульды сдвижения выделяют зону опасных сдвижений, в которой возникают деформации, опасные для зданий и сооружений.

Таблица 1.2

Допустимые деформации земной поверхности

Категории охраны
1	2	3
5 > I > 0, мм/м 3 > E > 0, мм/м	7 > I > 5, мм/м 5 > E > 3, мм/м	10 > I > 7, мм/м 8 > E > 5, мм/м

Помимо допустимых деформаций, степень сохранности поверхности от влияния подземных горных работ оценивается коэффициентом безопасности.

Коэффициент безопасности К_б – это соотношение между глубиной разработки и мощностью рудного тела.

Рекомендуются следующие значения коэффициента безопасности:

- для первой категории охраны К_б > 150 м;

- для второй категории охраны К_б > 100 м;

- для третьей категории охраны К_б > 50 м.

Мульда сдвижения и зона опасных сдвижений на земной поверхности всегда шире, чем выработанное пространство. По результатам наблюдений определяют углы сдвижения. Это углы наклона прямых линий, соединяющих на вертикальных разрезах по падению и простиранию залежей границу зоны опасных сдвижений на земной поверхности с границей выработанного пространства, погашаемого обрушением (см. рис. 1.1).

При подработке площадей, размеры которых меньше глубины горных работ или сопоставимы с ней (условия неполной подработки), по результатам натурных наблюдений определяют также угол максимального сдвижения. Это угол наклона линии, соединяющей на разрезе по падению центр выработанного пространства с центром мульды на земной поверхности.

Если размеры подрабатываемой площади значительно превышают глубину горных работ, то в центральной части мульды возникает зона полных сдвижений, где смещения земной поверхности уже не изменяются при дальнейшем развитии горных работ. Положение зоны полных сдвижений относительно границ выработанного пространства определяется углами полных сдвижений. Они также устанавливаются маркшейдерскими наблюдениями.

Все величины ожидаемых деформаций определяются расчетом исходя из величины максимального оседания земной поверхности в центре мульды .Чем больше максимальное оседание, тем значительнее все деформации земной поверхности, тем большие повреждения и разрушения претерпят объекты, расположенные на ней. Тем острее необходимость выноса их из зоны опасных сдвижений.

Ожидаемые деформации объектов могут быть сопоставимы с допустимыми для них. Это означает, что повреждения объектов, которые произойдут в процессе сдвижения земной поверхности, могут быть устранены послеосадочным ремонтом. В таком случае объекты, не связанные с безопасностью людей, можно не выносить из зоны опасных сдвижений. На период активной фазы сдвижения земной поверхности их можно временно выводить из эксплуатации до момента завершения процесса сдвижения и ремонтно-восстановительных работ. Такой подход к решению вопроса называют переходом от горных к конструктивным мерам охраны объектов от вредного воздействия подземной разработки.

При освоении подземным способом запасов ценных руд под охраняемыми объектами большое распространение получили системы разработки с закладкой выработанного пространства.