При применении систем с обрушением в слоистых осадочных породах характер обрушения и сдвижения пород определяется наличием слоистости. Нижняя часть зоны обрушения (сразу над выработанным пространством) характеризуется интенсивным дроблением и беспорядочным обрушением. Средняя — расслоениями, сдвижением и разломами отдельных слоев. Верхняя часть, примыкающая к наносам, может расслаиваться и изгибаться без разломов.
При крутом угле падения рудных залежей подрабатываемые породы висячего бока обрушаются вслед за выемкой руды. Если непосредственная кровля имеет слоистое или трещиноватое строение, то происходит самообрушение пород и частичное заполнение выработанного пространства. Основная же часть лежащего бока сползает в виде малораздробленных пород "призм" с некоторым отставанием (рис. 8.4).
Рис. 8.4. Закономерности обрушения пород при отработке рудных тел крутого падения в условиях Криворожского железорудного месторождения (по данным В. Ф. Лавриненко):
I, II,.... IX - стадии отработки залежи; I’, II’,..., IX’ - стадии обрушения пород; Нкр, Нпр и Нотр - Глубина соответственно критическая, предельная и отработки; В - ширина зоны смятия; α - угол падения залежи; β,γ - углы сдвижения.
В зависимости от устойчивости пород эта задержка может быть на один - два этажа. Над выработанным пространством появляется зона обрушения с трещинами и разрывами, террасообразными уступами по периферии. Наиболее глубокая часть мульды сдвижения или зоны обрушения в зависимости от угла падения рудного тела располагается ближе к лежачему боку залежи. При значительной мощности залежей сползающие породные призмы и сверху породы являются причиной высокого давления на междуэтажные и междукамерные целики, лежачий бок залежи и рудный массив.
В лежачем боку залежи может появляться зона смятия пород, в пределах которой выработки становятся крайне неустойчивыми, требуют усиленной крепи, больших затрат на ремонт и поддержание. Есть мнение, что развитие зоны смятия обусловливается также действием горизонтальных сил бокового распора, направленных в сторону выработанного пространства.
Практика отработки криворожских железорудных залежей показала, что величина зоны смятия возрастает с увеличением глубины работ и будет максимальной на уровне такой глубины, при которой на лежачий бок и рудный массив приходится полный вес обрушенных пород (до дневной поверхности).
Начиная с определенной глубины (500-600 м и более) в результате перепуска и уплотнения обрушающихся пород скорости сдвижения поверхности замедляются, прекращается образование зон обрушения, уменьшается трещинообразование, появляются плавные оседания. По данным В. Ф. Лавриненко, ниже критической глубины происходят лишь сводообразные обрушения подрабатываемых пород, которые локализуются, не достигая поверхности.
8.6. Шаг обрушения пород.
Как отмечалось ранее, после выхода обрушения на поверхность и самопосадки консолей Б и Д (см. рис. 8.3) отработка продолжается в направлении от выработанного пространства к массиву. Начинается период разработки, когда образуются консоли пород, обрушающихся при определенном шаге подработки.
Величина шага обрушения зависит от воздействия многих факторов, из которых наиболее существенными являются свойства массива и силы подпора со стороны ранее
обрушившихся пород 2 и 3 (рис. 8.5 а).
Рис. 8.5. Расчетные схемы для определения шага обрушения при плотном (а) и недостаточном (б) подпорах со стороны ранее обрушившихся пород.
Плотно подпирающие консоль, они препятствуют развитию сдвигающих усилий, уменьшают величину шага обрушения, способствуют плавному сползанию консоли.
Как показывает практика, величина шага обрушения трещиноватых горных пород lо значительно меньше их мощности H. Обычно отношение H/ lо≥ 3÷6 и более.
Для расчета шага обрушения трещиноватых пород, если H/lо > 3, наиболее применима теория предельного равновесия. В формировании поверхности сдвижения решающую роль играет касательная составляющая Т веса консоли пород Р. Как показывают данные маркшейдерских замеров и результаты моделирования на эквивалентных материалах, угол наклона линии сдвига ω к горизонтали изменяется в пределах 75-90°. В расчетах, когда ω > 60°, вполне допустимо криволинейную поверхность скольжения считать плоской.
Если консоль плотно подпирается обрушенными породами (см. рис. 8.5, а), то сдвигающее усилие Т = Р sinω уравновешивается удерживающими силами трения F=N tgφ=Р cosω tgφ, сцепления С=с l (l = МД) и подпора QT.
Силу QT можно найти как составляющую пассивного давления QХ на подпорную стенку по Кулону:
QХ = 0.5 (H – x)2 γ’ tg2(π/4 – φ’/2) (8.3)
где х — осадка обрушенных пород: γ’, φ’ — соответственно удельный вес и угол внутреннего трения обрушенного материала.
U
x = m --------- - H (Kраз - 1), (8.4)
1 –R
где m — мощность рудного тела 1; U, R — коэффициенты соответственно
извлечения и разубоживания руды; Kраз — коэффициент разрыхления,
изменяется в пределах 1,03—1,10.
Удерживающая составляющая силы подпора пород по линии МД будет
QT = QХ sinω tgφ, (8.5)
где \φ — угол внутреннего трения пород в массиве.
Условие предельного равновесия Т=F + С +QT после подстановки значений можно записать в виде
Р sinω =Р cosω tgφ + сl + Qx sinω tgφ. (8.6)
Подставляя значение веса консоли Р=Н l0 γ и величину QХ в выражение (8.6) получим
0.5 (H – x)2 γ’ tg2(π/4 – φ’/2) sin2ω tgφ + c H
l0 = -------------------------------------------------------------, (8.7)
γ H sinω (sinω – cosω tgφ)
где γ - удельный вес пород в массиве.
При недостаточном подпоре со стороны пород обрушившихся ранее, еще до начала сдвижения консоли, на земной поверхности появляются опережающие трещины разрыва, которые влияют на увеличение сдвигающих усилий в нижней части консоли (рис.8.5 б)
Трещины разрыва, как свидетельствуют примеры обрушения пород на апатитовых рудниках и опыты на моделях, распространяются почти вертикально в глубь массива на расстояние до (0,3÷0,5)Н.
Исследуя устойчивость откосов К. Терцаги установил, что максимальная глубина, которой могут достичь трещины растяжения в толще откоса, равна половине высоты свободно стоящего борта выемки. По Г. Л. Фисенко глубина распространения вертикальных трещин
2 с
НТ = ----- tgω, (8.7)
γ
где с - удельное сцепление пород в массиве; ω= π/4 + φ/2.
Следовательно, при глубине разработки Н>НТ, когда высота подпирающих пород Нп≤0,5Н, процесс обрушения консоли можно разделить на периоды отрыва (трещинообразования) и сдвижения. Действие сдвигающих сил будет пропорционально глубине разрывающих массив трещин.
В отличие от предыдущего случая условие предельного равновесия (8.6) будет иметь вид
Н1
Р sinω =Р cosω tgφ + с---------- + Qx sinω tgφ. (8.8)
sinω
Шаг обрушения можно определить по формуле
c (H – HТ) + Qx sin2ω tgφ
l0 = -------------------------------------, (8.9)
γ H sinω (sinω – cosω tgφ)
Расчеты, выполненные для условий рудника "Заполярный" по формуле (8.7) и апатитовых рудников по формуле (8.9) для глубин 200-300 м, показывают зависимость шага обрушения от глубины работ (рис. 8.6).
Рис. 8.6. Расчетные значения шага обрушения для Кукисвумчоррского (1) и Но-рильского (2) месторождений.
Полученные результаты подтверждаются фактическими данными. Закономерность увеличения шага обрушения с глубиной работ объясняется возрастанием сил сцепления и подпора по поверхностям отрыва.
8.7. Взаимосвязь обрушения пород с опорным давлением.
Действие опорного давления на прилегающий рудный массив характеризуется:
· коэффициентом концентрации опорного давления Ко = σд / (γН) (где σд — действующее напряжение);
· шириной зоны опорного давления, т. е. расстоянием от кромки очистного забоя до точки в глубине массива, где действующие напряжения отличаются от первоначальных на 5—7 %;
· максимальной величиной опорного давления и зоной его действия;
· характером деформаций пород в зоне опорного давления.
Характер распределения опорного давления и динамика его изменения находятся в тесной взаимосвязи с состоянием располагающегося над выработанным пространством массива горных пород. Эта взаимосвязь особенно большое значение имеет при применении систем с обрушением, когда необрушающиеся зависающие породы могут создавать такое опорное давление, в результате которого раздавливается прилегающий рудный массив, разрушаются подготовительные и нарезные выработки, могут возникать горные удары.
Для снижения опорного давления, обеспечения безопасной и эффективной отработки необходимо постоянное и планомерное обрушение подрабатываемых пород по мере подвигания фронта очистных работ.
Изучению механизма опорного давления во взаимосвязи с состоянием налегающих пород при различных системах разработки как в нашей стране, так и за рубежом посвящены многие исследования в лабораторных и производственных условиях. Было установлено, что в прочных породах максимум опорного давления приходится на участки, близко прилегающие к очистному забою, а в породах, склонных к пластическим деформациям — он удален в глубь массива. Отмечается, что зона распространения опорного давления во втором случае занимает большую площадь, чем в первом. В реальных условиях максимум опорного давления в прочных породах обычно располагается на расстоянии 1,0—1,5 м от груди забоя, а в пластичных — более 2,0—2,5 м. В краевой части массива различают зоны пониженных I, повышенных II и первоначальных III напряжений (рис. 8.7).
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 |
Основные порталы (построено редакторами)