Тема 8. Управление геомеханическими процессами при системах с обрушением руды и вмещающих пород. 2 часа лекций + 4 часа практических занятий.
Общие сведения. Факторы, определяющие характер сдвижения и обрушения пород. Сохранение устойчивого состояния земной поверхности при разработке месторождений. Закономерности сдвижения горных пород. Последовательность обрушения пород. Шаг обрушения пород. Взаимосвязь обрушения пород с опорным давлением. Снижение и предотвращение вредного воздействия опорного давления.
8.1. Общие сведения.
Сущность этого способа разработки заключается в том, что вслед за выемкой полезного ископаемого сразу или с некоторым отставанием налегающие породы обрушаются принудительно или под действием собственного веса. Характерной особенностью всех систем с обрушением является сплошная отработка шахтных полей без оставления внутризабойных, междублоковых и междуэтажных целиков. При некоторых вариантах систем допускается лишь временное оставление целиков (двухстадийная выемка), которые погашаются сразу после отработки камеры. Такой порядок выемки необходим для создания благоприятных условий самообрушения вышележащих пород, в результате которого снижаются напряжения на краевые зоны массива руды.
Системы разработки с обрушением (столбовые системы, слоевое обрушение, подэтажное обрушение, этажное самообрушение, этажное принудительное обрушение) обычно применяют при разработке мощных месторождений в неустойчивых, склонных к обрушению, породах, когда допускается сдвижение и обрушение земной поверхности.
При любых вариантах систем между очистными выработками и обрушающимся породным массивом должна постоянно сохраняться значительного объема предохранительная "подушка" из отбитой руды и обрушенных пород.
Все системы с обрушением вызывают сдвижение или обрушение земной поверхности и характеризуются постоянным нарастанием опорного давления на пограничный с обрушающимися блоками рудный массив до тех, пор, пока не произойдет посадка подработанной толщи пород.
Таким образом, управление геомеханическими процессами при системах разработки с обрушением вмещающих пород заключается в целенаправленном изменении параметров систем разработки, в частности, величин деформаций поверхности, последовательности и шага обрушения пород, величины опорного давления на краевую часть массива др.
8.2. Факторы, определяющие характер сдвижения и обрушения пород.
Многочисленные факторы, влияющие на протекание процессов сдвижения и обрушения пород, можно разделить на две большие группы: горно-геологические и технологические;
Горно-геологические факторы. Из них следует выделить следующие: мощность рудного тела (залежи, пласта, жилы) угол падения, глубину работ, площадь распространения, механические свойства и структурные особенности строения пород, гидрогеологические условия месторождения, рельеф местности и др.
При отработке рудных тел их мощность и площадь оказывают существенное влияние на характер и величину сдвижения налегающих горных пород. Практикой установлено, что чем они больше, тем значительнее распространение зон сдвижения и обрушения пород, больше величина оседания и обрушения земной поверхности, выше скорости распространения деформаций пород.
Углы падения отрабатываемых рудных тел влияют на картину формирования зон сдвижения и обрушения, на форму и параметры мульд на поверхности.
Отмечается обратная зависимость величины деформации земной поверхности от глубины разработки. При малой мощности залежи (пласта) и значительной глубине работ опасные сдвижения пород могут не достигать поверхности (безопасная глубина разработки). Опорное давление и зона его распространения увеличиваются пропорционально глубине, а перенапряжения пород бывают причиной горных ударов.
Свойства пород и их структурное строение определяют механизм происходящих деформаций, их склонность к пластическому течению или хрупкому разрушению; трещиноватый массив однородного строения и слоистая толща пород при отработке деформируются и разрушаются неодинаково. Геологические нарушения значительно изменяют характер происходящих механических процессов.
Гидрогеологические условия, определяющие степень увлажненности пород месторождения, влияют на их пластические свойства. Облегчается сдвижение отдельных слоев или участков массива по контакту обводнения пород (особенно глинистых). Вследствие этого могут существенно изменяться углы сдвижения, скорости деформирования, формы и площади мульд сдвижения и обрушения земной поверхности.
Существенные коррективы в картину сдвижения и обрушения пород вносит рельеф местности (гористый или равнинный). Если для равнинного рельефа характерны более правильные формы оседания и обрушения поверхности, то для гористого — они определяются конкретным расположением гор и долин. Здесь могут иметь место деформации и обрушения подрабатываемых участков по плоскостям ослаблений и геологических нарушений, при увлажнении наблюдаются оползневые явления.
Технологические факторы. Зависят от деятельности человека, и в отличие от горно-геологических факторов не остаются неизменными; их воздействие можно регулировать. Из основных технологических факторов следует отметить: применяемую систему разработки или способ управления горным давлением, порядок ведения горных работ, интенсивность и концентрацию очистной выемки, размеры отрабатываемых участков (шахтных полей), методы ведения взрывных работ и др.
Способ управления горным давлением определяет класс применяемой системы разработки и оказывает самое существенное влияние на состояние подрабатываемого массива горных пород. При системах с обрушением предусматривается постоянное, вслед за выемкой руды обрушение подрабатываемых пород. От порядка отработки месторождения зависит характер деформации пород, очередность их сдвижения и обрушения, образование мульд на поверхности. Правильно выбранный порядок может обеспечивать непрерывность деформирования и плавность посадки пород. От интенсивности выемки зависит скорость нарастания деформаций, появление в толще трещин и разрывов.
Размеры отрабатываемых участков (шахтных полей) оказывают существенное влияние на процесс смещения и обрушения пород. При небольших размерах месторождений и большой глубине работ могут иметь место опасные зависания подрабатываемых пород, угрожающие внезапной посадкой.
8.3. Сохранение устойчивого состояния земной поверхности при разработке месторождений.
Под устойчивым состоянием земной поверхности понимается полное отсутствие ее деформаций или наличие сдвижений, величина которых не превышает критических значений и не вызывает вредных последствий для подрабатываемых объектов.
Устойчивое состояние пород определяется сочетанием влияющих горно-геологических и технологических факторов.
При разработке месторождений существует такое соотношение глубины разработки Нб к мощности залежи М, при котором деформации земной поверхности для охраняемых сооружений будут безопасными, т. е.
Нб /М=Кб, (8.1)
Где Кб - коэффициент безопасности.
Вполне очевидно, что наибольшая вероятность сохранения поверхности при разработке рудных месторождений будет при отработке слепых залежей, имеющих малую мощность, крутой угол падения и небольшую площадь подработки.
Временными правилами охраны сооружений и природных объектов при подземной разработке рудных месторождений, рекомендованными ВНИМИ, при крепости пород f = 5 коэффициенты безопасности, согласно выражению (8.1), принимаются: для объектов I-й категории Кб = 150; II-й - Кб = 100 и III-ей - Кб = 50. При выемке пологих и наклонных угольных пластов значения Кб для объектов I, II, III категорий равны соответственно 300,200,100.
На рис. 8.1 приведена схема основных элементов залегания, определяющих деформирование земной поверхности.
Рис. 8.1. Схемы к определению деформаций земной поверхности
а и б - параметры рудной залежи соответственно вкрест простирания и по простиранию.
На основании изучения многочисленных случаев состояния земной поверхности в результате отработки рудных месторождений ВНИМИ рекомендуется формула для определения предельной расчетной глубины Нр (от верхней границы залежи до дневной поверхности), при которой не будет критических деформаций
Нр = 300 Мэ L’ k / (L’ + 74 Мэ, (8.2)
где L’ - горизонтальная проекция рудной залежи;
k — коэффициент, учитывающий крепость вмещающих пород, k = 1 при f = 2÷5, k = 0.9 при f = 5÷9, k = 0.8 при f >9.
Мэ - эффективная (приведенная) мощность залежи,
Мэ = М (1 – Кзап + Кзап Ку.
Здесь М - нормальная мощность залежи; Кзап и Ку - коэффициенты соответственно заполнения выработанного пространства закладочным материалом (или породами) и усадки закладочного материала.
Если величина Нр<Н (Н — фактическая глубина от верхней границы рудной залежи до земной поверхности), то земная поверхность не подвергается опасным деформациям.
Формула (8.2) рекомендуется для расчета безопасной глубины при отработке слепых залежей с углом падения не более 75° системами с закладкой.
Отработка рудных месторождений системами с обрушением вызывает опасные деформации земной поверхности и, как правило, сопровождается не только сдвижением, но и ее обрушением. В связи с этим рассмотрим последовательно основные закономерности развития процессов сдвижения горных пород в результате подземной разработки месторождений и основные закономерности развития процессов обрушения горных пород.
8.4. Закономерности сдвижения горных пород.
Под сдвижением горных пород понимается деформирование и перемещение их под влиянием горных работ или происходящих естественных процессов (действия тектонических сил, выщелачивания, водопонижения, изменения свойств пород).
В результате горных работ вначале наблюдаются сдвижения нижней части подрабатываемых пород (кровли камер, заходок, лав). По мере увеличения площади подработки в процесс сдвижения вовлекается не только непосредственная кровля, но и расположенные выше породы. Наблюдается сдвиг пород по плоскостям расслоения и пересекающим массив трещинам. В результате над выработанным пространством образуется зона разрыхленных пород, объем которых больше первоначального. Поэтому при определенной высоте разрыхления пород происходит подпор вышележащей толщи.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 |
Основные порталы (построено редакторами)