Учебно-методический комплекс дисциплины преподавателя (стр. 9 )

В случаях, когда уровень действующих напряжений вокруг выработок недостаточен для разрушения самих структурных блоков, из которых сложен массив, происходит разрушение пород в форме сдвига и отрыва по поверхностям естественных трещин или других структурных неоднородностей. Это приводит к наиболее массовому типу проявлений горного давления — образованию вывалов и заколов. Последние характеризуются условиями, когда отдельные куски пород еще не полностью потеряли связь с массивом, но могут обрушиться в выработку при малейшем дополнительном воздействии.

Если же породы в приконтурной области массива склонны к проявлению вязких свойств, в частности ползучести, то в выработках наблюдаются специфические типы проявлений горного давления - сближение (конвергенция стенок выработок пли их почвы и кроили) или пучение пород.

Область массива пород вокруг выработок, в которой проявляются пластические, вязкие деформации и разрушение, составляет так называемую зону неупругих деформаций. Параметры зоны неупругих деформаций характеризуют состояние выработки, они являются исходными для выбора и расчета крепи, а поэтому их определение — обычно конечная цель тео­ретических и экспериментальных исследований.

Рекомендуемая литература: основная [1-10], дополнительная [11-15].

Контрольные задания для СРД (тема 4) [1, 4-10]

1. Перечислите основные факторы, влияющие на НДС массива вокруг капитальных и подготовительных выработок

2. Аналитическое определение НДС горных пород вокруг одиночных выработок.

3. НДС пород в условиях взаимного влияния выработок

4. Типы проявлений горного давления в капитальных и подготовительных выработках

Раздел 5. Напряженное состояние горных пород и проявления горного давления вокруг очистных выработок.

Тема 5 Напряженное состояние горных пород и проявления горного давления вокруг очистных выработок (4 часа)

План лекции

1. Характерные особенности проявлении горного давления и задачи управления горным давлением в очистных выработках

2. Проявления горного давления в очистных выработках при различных системах разработки угольных и рудных месторождении

3. Расчет напряжений и деформаций (перемещений) пород вокруг очистных выработок

4. Напряженно-деформированное состояние пород вокруг очистной выработки, зоны опорного давления и разгрузки

5. Взаимное влияние очистных выработок при разработке обособленных и сближенных пластов или жил

Характерные особенности проявлении горного давления и задачи управления горным давлением в очистных выработках

Выработки, образуемые в результате непосредственной выемки полезного ископаемого при его разработке, называют очистными. По сравнению с подготовительными и капитальными очистные выработки обладают некоторыми особенностями. Важнейшими из них являются значительно большие размеры поперечных сечений, непрерывное движение забоя, обусловливающее постоянное изменение поля статических напряжений вокруг выработки, а также существенно меньшее время эксплуатации. Эти особенности очистных выработок определяют в свою очередь и специфические проявления горного давления в них.

Выше отмечалось, что тот или иной вид проявлений горного давления зависит как от действующих напряжений, так и от деформационных характеристик массива горных пород.

Значительные размеры сечений очистных выработок определяют увеличение зоны неупругих деформаций вокруг них по сравнению с капитальными и подготовительными выработками.

В результате этого в процессе деформирования пород вблизи очистных выработок повышается влияние неоднородностей (крупноблоковой трещиноватости, геологических нарушений и пр.), достаточно часто реализуются такие виды проявлений горного давления, как пластическое течение и вязкое деформирование. На угольных месторождениях нередко происходит плавное опускание кровли за забоем лавы. Подобные процессы могут иметь развитие и в массивах скальных пород, при определенных соотношениях между размерами структурных блоков и площадью обнажения пород в выработках.

При определенных условиях в очистных выработках проявляется особый вид деформирования горных пород — пучение почвы. Природа пучения различна: иногда она происходит в результате выдавливания из почвы пластичных пород под воздействием опорного давления, развивающегося в боках выработок, иногда — вследствие увеличения объема глинистых пород и уменьшения их прочности под влиянием воды. Наиболее часто оба эти фактора действуют совместно.

Широко распространенным видом проявлений горного давления в очистных выработках является также обрушение пород при достижении некоторых критических размеров обнажений, определяемых в сущности теми же факторами — действующими напряжениями и свойствами деформирующейся области массива.

Наконец, при некоторых сочетаниях уровня действующих напряжений и свойств пород в очистных выработках, как и в подготовительных, возможны и упругие деформации кровли с сохранением ее устойчивости либо с внезапным разрушением в форме горных ударов.

Задачи управления горным давлением в очистных выработках, так же как в капитальных и подготовительных, заключаются в обеспечении устойчивого состояния выработок (или призабойного пространства) в течение необходимого времени их эксплуатации и выборе наиболее экономичного, но вместе с тем полностью обеспечивающего безопасность работающих людей способа поддержания и крепления выработанного пространства.

При этом специфика задач управления горным давлением в очистных выработках связана со сравнительно небольшим, как правило, сроком их эксплуатации и непрерывным подвиганием забоя. Вследствие этого в очистных выработках в отличие от капитальных и подготовительных поддерживают обычно не всю отработанную площадь, а лишь часть ее в непосредственной близости от забоя, ограниченно применяя мощные жесткие виды крени. Относительно же легкие деревянные или металлические податливые крепи, штанговая крепь и передвижные механизированные крепежно-добычные комплексы, перемещаемые по мере подвигания забоя, находят весьма широкое применение.

Для управления горным давлением в очистных выработках иногда используют закладку из пустой породы, которая поддерживает кровлю очистных пространств или же уменьшает амплитуду смещения покрывающих пород. Аналогичную роль играет отбитая горная масса, магазинируемая в блоках при разработке крутопадающих рудных залежей. Оказывая противодавление на стенки очистных камер, замагазинированная руда и порода существенно изменяют условия деформирования массива пород в приконтурной области вокруг очистных пространств.

Но наиболее широко в качестве мероприятий по управлению горным давлением используют полное обрушение пород над всем очистным пространством, за исключением призабойной части. При этом преследуют двоякую цель. Во-первых, вызывают искусственную разгрузку массива, в результате чего призабойная область освобождается от высоких статических напряжений (опорного давления). Во-вторых, вследствие заполнения выработанного пространства устраняется опасность динамических нагрузок в окружающем массиве и воздушной волны. Это создает возможность безопасного ведения горных работ в непосредственной близости от очистных выработок.

Проявления горного давления в очистных выработках при различных системах разработки угольных и рудных месторождении

Формы и характер проявлений горного давления в очистных выработках весьма разнообразны (от небольших сдвижений и деформаций горных пород и полезного ископаемого до их разрушения и обрушения, от незначительных нагрузок на крепь до полного вывода ее из строя) и зависят от многих факторов, в том числе от глубины разработки, структуры и механических свойств горных пород, мощности и угла владения полезного ископаемого. Большое влияние на проявления горного давления оказывают производственно-технические условия эксплуатации месторождений, характеризующиеся формой, размерами и расположением выработок, технологией ведения добычных работ, способом управления горным давлением, скоростью подвигания забоев, видом крепи и т. д. Вместе с тем со склонностью пород к тому или иному виду деформирования связаны выбор систем разработки месторождений и установление оптимальных параметров этих систем.

Выделены три характерных типа проявлений горного давления и подготовительных выработках, физический смысл которых заключается и преимущественно упругом, пластическом или вязком деформировании пород вокруг выработок. Аналогичные типы проявлений горного давления могут быть выделены и при рассмотрении очистных выработок. Однако количественные характеристики выделенных типов и формы проявлений горного давления в очистных выработках существенно отличаются от таковых в подготовительных выработках.

Общая картина процессов, происходящих в массиве пород вокруг очистной выработки, заключается в изменении поля статических напряжений и, как следствие этого, в деформировании окружающих пород. В первую очередь на контуре выработанного пространства и в окружающем массиве пород происходят упругие смещения. В некоторых, правда весьма немногочисленных, случаях указанными упругими смещениями процессы деформирования массива пород и исчерпываются. Однако это может иметь место лишь при очень прочных породах и высокой степени монолитного массива, в частности при разработке некоторых рудных месторождений системами с открытым очистным пространством, например камерными и камерно-столбовыми системами.

Гораздо чаще в выработанном пространстве вслед за упругими смещениями пород кровли и стенок развиваются неупругие деформации и происходят локальные разрушения. Этому способствует развитие в окружающем массиве зон концентрации как сжимающих, так и растягивающих напряжений. В процессы деформирования вовлекаются большие объемы пород, а вследствие этого — неоднородности низких порядков, по поверхностям которых массив наиболее ослаблен. В результате этого в очистных выработках развиваются процессы обрушения покрывающих пород.

В практике разработки пластовых месторождений твердо укоренились понятия непосредственной и основной кровли и почвы пластов, отражающие различную способность пород к обрушению над очистным пространством.

Непосредственной кровлей называют малопрочный слой пород, залегающий непосредственно над пластом и не сохраняющий, как правило, устойчивость в призабойном пространстве без крепи или целиков. Мощность непосредственной кровли определяется мощностью систематически обрушающихся в выработанном пространстве пород после переноски посадочной крепи. Шаг самопроизвольного обрушения непосредственной кровли в несколько раз меньше шага обрушения основной кровли.