Особенности развития геомеханических процессов при системах с креплением выработанного пространства

Содержание

 

1. Общие сведения.

 

2. Особенности развития  геомеханических процессов при  системах с магазинированием.

 

3. Особенности развития  геомеханических процессов при  системах с креплением выработанного  пространства.

 

Список литературы

 

 

Общие сведения.

 

Магазинирование полезного  ископаемого — накопление отбитого полезного ископаемого очистной выработке. Различают полное магазинирование  полезного ископаемого, если оно  ведётся на всю высоту этажа (блока) или частичное (слоевое), если оно  ведётся в пределах отдельных частей блока.

 

Магазинирование полезного  ископаемого составляет технологическую  основу специального класса систем разработки. Отличительной особенностью этого  класса систем: выемка полезного ископаемого в восходящем порядке; выпуск 30-40% отбитой руды; поддержание боков выработанного пространства замагазинированной рудой; после магазинирования на всю высоту блока – полный выпуск.

 

Системы с магазинированием применяются на залежах полезных ископаемых с углами падения свыше 55°, мощностью от 0,5 до 3, реже 5 м, с выдержанными элементами залегания и устойчивыми боковыми породами. Ограничивающий фактор — склонность полезного ископаемого к слёживанию и самовозгоранию.

 

Удельный вес добычи из рудных жил системами с магазинированием в бывшем СССР составлял около 50%. При добыче угля частичное магазинирование применяют при разработке тонких крутопадающих пластов в Донбассе. За рубежом системы с магазинированием распространены в США, Канаде, Австралии, Германии, Болгарии, Румынии и др.

 

Подготовка блоков при разработке с полным магазинированием полезного ископаемого включает проведение откаточного штрека (рис.1), располагаемого посредине или ближе к лежачему боку залежи (верхним вентиляционным штреком служит откаточный штрек вышележащего этажа). По простиранию этаж восстающими разделяют на блоки, изолированные друг от друга целиками. Рудоспуски проводят из откаточного штрека через 4,5— 7,5 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Разработка залежи с полным магазинированием полезного  ископаемого:

1 — шпуры; 2 — вентиляционный штрек; 3 — потолочина блока; 4 — поверхность отбитого полезного ископаемого; 5 — восстающий; 6 — междублоковый целик; 7 — подштрековый целик; 8 — рудоспуски; 9 — блоки; 10 — воронка; 11 — магазин; 1 2 — откаточный штрек.

 

Выемка полезного ископаемого в блоке включает подсечку магазина, отбойку полезного ископаемого до уровня подштрекового целика с попутным магазинированием и выпуск полезного ископаемого с одновременной выемкой целиков.

 

Вследствие разрыхления  полезного ископаемого при отбойке часть его (около 30%) выпускают, оставляя свободным рабочее пространство высотой около 2 м. Подсекают магазин и формируют воронки сразу по всей длине блока. Цикл очистной выемки включает бурение комплекта шпуров, их взрывание, проветривание, выпуск излишков полезного ископаемого и разработку потолочины.

 

Безопасность работы в забое в случае шпуровой отбойки  обеспечивается сравнительно небольшим  расстоянием между отбитой рудой  икровлей забоя (до 2.0 – 2.5 м), а также  предварительной оборкой стенок и кровли очистного пространства с целью предотвращения вывалов и отслоений. Иногда устанавливаются деревянные распорки или анкерная крепь. Если недостаточно устойчивые породы висячего (а иногда и лежачего) бока не укреплять, то при окончательном выпуске полезного ископаемого из магазина возможны интенсивные отслоения пород, приводящие к значительному разубоживанию.

 

Когда фронт очистной выемки достигнет границы подштрекового  целика, приступают к выпуску всего  замагазинированного полезного  ископаемого через воронки и рудоспуски. После этой операции выработанное пространстве оставляют открытым или заполняют пустой породой.

При разработке тонких залежей  с крепкими боковыми породами вместо оставления целиков устанавливают  распорную крепь; воронки над  рудоспусками не делают. При неустойчивых боковых породах и потолочине обуривание массива полезного ископаемого производят из специально пройденных выработок небольшого сечения, подэтажных штреков или восстающих. Это обеспечивает большую безопасность работ, но вызывает возрастание их трудоёмкости и расхода крепёжных материалов. При разработке широких камер с магазинированием полезного ископаемого отбойку ведут длинными до 30—40 м скважинами, которые бурят из восстающих. Располагают их горизонтально веером через 3—5 м по высоте.

 

Технико-экономические  показатели добычи изменяются в зависимости  от мощности залежи и крепости полезного  ископаемого; на 1 м длины подготовительных выработок добывается от 40 до 160 т  полезного ископаемого; производительность труда рабочего по забою от 7 до 30 т в смену; расход ВВ от 0.3 до 1,2 кг на тонну добычи; потери полезного ископаемого 5—8%.

 

При частичном (слоевом) магазинировании полезного ископаемого  блоки по высоте разделяют на горизонтальные полосы высотой 4-6 м, которые затем  вынимают сплошным забоем снизу вверх с отбойкой полезного ископаемого на настил и последующим выпуском его через окна в настиле (рис.2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Разработка залежи с частичным (слоевым) магазинированием полезного ископаемого:

1 —- потолочина; 2 —  слои полезного ископаемого;3 — временный полок; 4 — выпускные окна; 5 — настил; 6 — отбойные рештаки; 7 — распорки; 8 — прогоны; 9 — накатник.

 

По сути дела системы  с частичным магазинированием являются комбинированными системами с точки  зрения методов поддержания выработанного пространства одновременно за счёт замагазинированной руды и путём установки распорной крепи.

Очистную выемку начинают с обуривания потолочины и взрывания  зарядов в шпурах с временных  полков. При этом на настиле образуется слой полезного ископаемого высотой около 2 м. Второй и третий слои обуривают с поверхности замагазинированного полезного ископаемого соответственно первого и второго слоёв. После этого производят выпуск полезного ископаемого от границ блока через окна, образуемые в настиле путём перемещения накатника. Одновременно выше сооружают новый настил. Частичное магазинирование полезного ископаемого позволяет несколько увеличить производительность труда рабочих, сократить расход крепёжных материалов при более безопасных условиях работы, чем при использовании распорной крепи.

 

Особенности развития геомеханических процессов при  системах с магазинированием.

 

Временно оставляемое  в выработанном пространстве полезное ископаемое оказывает вертикальное давление на выработки днища блоков и боковое давление на стенки очистных выработок, блоковых восстающих и межблоковых целиков (если они оставляются).

Отсюда управление геомеханическими процессами при системах с магазинированием заключается в выборе устойчивых параметров выработок днища блоков, восстающих и целиков сообразно величинам нагрузок, действующих на них.

 

Мелкокусковой материал магазина можно рассматривать как  сыпучую среду, не имеющую сцепления, но обладающую трением. В крупнокусковом и уплотнившемся материале, кроме  трения, наблюдается зацепление между отдельными глыбами.

 

Для определения давления магазинированного полезного ископаемого  на стенки выработанного пространства и крепь откаточных штреков и  восстающих можно воспользоваться  расчётными методами статики сыпучих  сред.

 

Согласно теории Кулона, предельное состояние сыпучего материала определяется условием

τ = f σ,                                                                                           (1)

где τ, σ - соответственно касательное  и нормальное напряжение, f -коэффициент трения, f = tgφ (здесь φ — угол внутреннего трения).

 

Напряжения в элементарном объеме сыпучего материала (руды) на глубине Z от поверхности можно определить из формул:

σz = γ z;

σy = ξ z;                                                                                         (2)

в которых γ - удельный вес руды; ξ - коэффициент бокового распора.

 

Значение ξ находится из следующих  выражений:

ξ = (1 – sinφ)/(1 + sinφ)

или ξ = tg2(π/4 – φ/2)                                                                     (3)

 

Величина φ изменяется в зависимости от гранулометрического  состава, увлажнения и уплотнения сыпучего материала. Значения углов внутреннего  трения для некоторых сыпучих  материалов составляют:

 

известняк - 30- 450;

дробленый камень, влажный, под давлением — 35-400;

сланец крупнокусковатый и уплотненный - 38-400;

песок малослежавшийся, влажный и сухой - соответственно 27 и 320;

жирная глина, сухая, под  давлением — 40—600.

 

Отсюда очевидно, что  значение коэффициента бокового распора  зависит от плотности магазинированной руды, что, в свою очередь, будет влиять на величину вертикального давления на днище блока и бокового давления на стенки выработанного пространства.

 

При неподвижной уплотненной  руде рекомендуется принимать ξ =0.3. В этом случае давление на крепь откаточного штрека и блоковых восстающих, если они пройдены без оставления междублоковых целиков, будет максимальным.

 

Необходимо отметить, что уплотнение магазинированной руды может возрастать за счет смещения боковых пород. Величина таких деформаций пропорциональна увеличению пролетов обнажения и времени отработки блоков. Наибольшие величины смещений висячего бока наблюдаются в средней части магазина, а также в местах нарушений и расслоений. В результате конвергенции (сближения) стенок выработанного пространства происходит зажатие отбитой руды в магазине, - выпуск становится затруднительным, опасным, а иногда и невозможным. Поэтому, когда непосредственная кровля представлена трещиноватыми или слоистыми породами, склонными к деформациям, необходимо устанавливать распорную или анкерную крепь.

 

В качестве примера рассмотрим горно-техническую ситуацию, которая  сложилась при разработке медно-никелевого месторождения Ниттис-Кумужье-Травяная (Кольский полуостров).

 

Месторождение представлено свитой тонких крутопадающих жил, залегающих в массиве ультраосновных пород – перидотитов и пироксенитов. Длина различных жил по простиранию неодинакова и колеблется в пределах от 100 до 1400 м. Протяжённость в глубину изменяется от 30 до 440 м. Мощность жил непостоянна: варьирует в пределах от нескольких сантиметров до 2-3 м и составляет преимущественно 0.2-0.3 м.

Разработка месторождения  проводилась с применением двух систем: системы с распорным креплением и системы с магазинированием руды. Преимущественное применение на руднике имела первая система, её удельный вес составлял 90%. Система с магазинированием руды применялась лишь на отдельных участках, главным образом в условиях, когда нельзя было обеспечить достаточно малую ширину очистного пространства, например, на участках раздувов или разветвления жил.

Максимальная глубина  разработки достигала 440 м, высота этажа  – 40 м, длина блоков по простиранию  составляла обычно 60 м.

 

На рис.3 приведена типовая схема блока, разрабатываемая системой с распорным креплением. Очистная выемка осуществляется потолкоуступным забоем, лентами шириной 2 м. При разработке обычно производится прирезка боковых пород с тем, чтобы ширина рабочего пространства составляла 0.9-1.1 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Типовая схема  очистных работ в блоках на руднике Ниттис-Кумужья.

Узел I – погашение  потолочины при значительном горном давлении;

Узел II – блоковый восстающий в плохих горногеологических уловиях (крепление разрушено, значительные вывалы породы со стенок восстающего).

 

В последние двадцать лет работы рудника по большинству блоков после их отработки и зачистки производилась закладка выработанных пространств пустыми породами от проведения капитальных и подготовительных выработок.

Потери полезного ископаемого  составляли около 3%, причём в последние  годы вследствие ухудшения условий разработки и интенсификации проявлений горного давления потери возросли до 4-5%.

В рассматриваемых условиях одним из основных видов проявлений горного давления являлось сближение (конвергенция) стенок блоков и подготовительных выработок по мере развития очистных работ и образования выработанного пространства. В результате происходили поломки стоек распорной крепи в блоках, нарушения крепи и завалы подготовительных выработок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Сближение и скорости сближения парных реперов в штреке гор. +102 м по жиле 18 (рудник Ниттис-Кумужье, глубина от поверхности 210 м)

 

Специальными комплексными инструментальными  исследованиями были установлены основные закономерности развития указанных  процессов. На рис. 4 приведены типичные графики сближений и скоростей сближений одной из пар реперов в штреке на глубине от поверхности 210 м. Сближение началось в апреле 1955 г., когда высота

Рис. 4. Сближение и скорости сближения парных реперов в штреке гор. +102 м по жиле 18 (рудник Ниттис-Кумужье, глубина от поверхности 210 м).

 

потолочины составляла 12-14 м. При  этом характерно, что верхний блок не был ещё полностью отработан. В июне 1955 г. Одновременно были отбиты потолочины верхнего и нижнего блоков. Высота пролёта выработанного пространства по падению достигла 220 м. Максимальные скорости сближения в этот период составляли около 7 мм/мес. В 1958 г. На рассматриваемом участке начались деформации породной толщи между жилами 18 и 33, и в связи с этим наблюдался значительный рост интенсивности процесса сближения; скорость сближения возросла до 11 мм/мес. Конечная величина сближения достигла в рассматриваемом случае 210 мм.