Особенности развития геомеханических процессов при системах с креплением выработанного пространства

Необходимо отметить, что при этом наблюдалось качественное изменение характера деформирования пород. В частности, если образцы ультраосновных пород - пироксенитов и перидотитов, включающие структурные неоднородности только четвертого порядка, практически деформируются упруго вплоть до разрушения (рис. 5), то по мере увеличения области деформирования отчетливо начинают проявляться вязкие свойства массива, поскольку процесс постепенного сближения боков очистного пространства блоков – типично временной процесс вязкого деформирования (рис. 5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Характер деформирования ультраосновных пород в зависимости от размеров деформирующихся объемов.

а - упругое деформирование образцов диаметром 40 мм (ОА-нагружение; AБ-разгрузка); б - развитие деформаций (сближения) стенок выработки u во времени t (1 - сближение реперов над выработанным пространством вертикального очистного блока высотой 40 м; 2 - то же, под выработанным пространством очистного блока).

 

В таблице 1 приведены сводные данные о параметрах процесса сближения боковых пород на участках полного его развития, они позволяют оценить степень максимального уплотнения закладки в выработанном пространстве.

 

Параметры процесса сближения  боковых пород и степень уплотнения закладочного массива в выработанном пространстве

(рудник Ниттис-Кумужье).

Таблица 1.

№№ жил	Глубина, м	Ширина очистного пространства, м	Конечная величина сближения, мм	Наибольшая скорость сближения мм/мес	Продолжительность процесса сближения, год	Коэфф. уплотнения закладки
16	40	0.87	125	4.8	5.8	0.86
33	110	0.90	190	5.8	4.7	0.79
16	145	1.20	244	13.6	6.0	0.80
18	170	0.93	184	13.8	6.2	0.80
16	180	1.20	117	4.9	5.5	0.90
16	180	1.40	181	11.3	4.0	0.87
18	210	1.03	210	10.8	6.0	0.78

 

Из данных табл. 1 следует, что максимальное уплотнение достигало 22%. Конечная величина сближения на всех участках, где были проведены наблюдения. Не превышала 250 мм. Процесс сближения от начала и, практически, до полного затухания продолжался более 6 лет.

Однако, самым информативным  параметром является скорость сближения, впоследствии были установлены критические  значения скоростей (среднее значение ≈ 200 мм/мес), при которых массив пород, вмещающий блок, терял устойчивость и очистные работы продолжать становилось небезопасно.

 

Деревянная распорная  крепь обычно применяется в том  случае, когда ширина очистного пространства не превышает 2,0-2,5 м.

Анкеры устанавливают по сетке от 1x1 до 2x2, 2x2,5 м. Их длина выбирается с таким расчетом, чтобы можно было надежно связать недостаточно устойчивую непосредственную кровлю и закрепить концы анкеров в устойчивой части пород, На практике длина анкеров бывает от 1.0—1,5 м до 2,0-2,5 м. В зависимости от ширины очистного пространства анкеры делают сплошными или составными.

 

Если распорная и  анкерная крепь не могут предотвратить  нарастания опасных деформаций боковых  пород, следует размеры камер-магазинов  принимать меньшими, чтобы сократить сроки их отработки.

В заключение, характеризуя роль магазинированной руды, как средства поддержания выработанного пространства, необходимо отметить временный  характер этой меры. После окончательного выпуска  отбитой руды камеры остаются пустыми или частично заполненными обрушающимися породами. Для предотвращения внезапной посадки налегающей толщи в остающиеся пустоты необходимо перепускать породы сверху или заполнять их закладочным материалом.

 

Особенности развития геомеханических процессов при системах с креплением выработанного пространства.

 

Поддержание выработанного  пространства в системах рассматриваемой  группы может осуществляться

деревянной крепью (деревянные стойки и распорки, крепежные рамы, станки, костры);

 

каменной или бетонной крепью;

металлическими стойками;

механизированными комплексами.

 

Характерным для большинства  этих систем является работа в очистных забоях с крепи, устанавливаемой  по мере выемки руды.

Эти системы разработки применяют в самых неблагоприятных  горнотехнических условиях эксплуатации месторождений ценных руд, когда руда и вмещающие породы неустойчивы и основным требованием является высокое извлечение запасов с незначительным разубоживанием.

На практике часто  крепление очистных забоев сочетают с закладкой или обрушением выработанного пространства, так как крепь не гарантирует надежного сохранения равновесия подрабатываемых пород.

Геомеханические процессы при всех системах разработки с креплением очистного пространства развиваются  идентично и, практически, не зависят от вида применяемой крепи.

Крепление очистного  пространства деревянной крепью в настоящее  время чаще всего встречается  в практике отработки жильных  месторождений мощностью не более 2,0-2,5 м при необходимости поддержать неустойчивую непосредственную кровлю.

 

Работа крепи определяется ее рабочим сопротивлением Ра и податливостью  δα. величины которых зависят от угла падения α рудного тела[Совершенствование  управления горным давлением при  разработке наклонных и крутых угольных пластов [К.А.Ардашев, Н.И.Куксов, А.С.Шалыгин, В.М. Шик, В.Ф.Богомолов. М., Недра, 1975]:

 

Ра = Р0 √cosα                                                                             (4)

δα = δ0 √cosα                                                                              (5)

где Р0, δ0 - необходимое  сопротивление и податливость крепи  при α=0.

 

Распределение опорного давления при разработке с креплением

очистного пространства показано на рис. 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Распределение опорного давления при разработке с креплением очистного пространства (стрелкой показано направление отработки).

 

Вследствие того, что  в нижней части отрабатываемого  блока будут накапливаться руда и отслаивающиеся породы кровли для  большей безопасности работ и  надежного поддержания очистного  пространства в верхней части блока Ра и δα необходимо принимать большими по величине:

Рmax = 0.9÷1.0 Р0; δmax = 0.9÷1.0 δ0.

 

Принимая во внимание, что распорки поддерживают слабую, склонную к обрушению кровлю, нагрузки на них должны рассчитываться с учетом трещиноватости, а места установки определяться расстоянием между трещинами.

 

Для случая кососекущей  трещиноватости пород непосредственной кровли (рис.7) рабочее сопротивление стоек определяется по формуле, рекомендованной ВНИМИ для угольных пластов:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7. Схема к определению рабочего сопротивления стоек при трещиноватой слоистой непосредственной кровле:

1 - выработанное пространство; 2 - стойка; 3 - целик; 4 - непосредственная  кровля; 5 – порода-мост.

 

             cos (α – ω) – φ sin(α –  ω)

Ра = Р0 --------------------------------                                                        (6)

               √cosα (cos ω - φ sin)

где ω - угол между диагональными  трещинами и нормалью к пласту; φ - коэффициент внутреннего трения пород.

 

Из формулы (6) следует, что с увеличением α давление на крепь Ра уменьшается. Если α =90°, то крепь испытывает боковой распор пород σy = ξ z (формула 2). В этом случае рабочее сопротивление крепи выбирается из условия Ра > σy.

 

На случай подвижки пород  висячего бока рекомендуется устанавливать распорки с отклонением от нормали (по восстанию) на 6-100 во избежание их выпадения. Для обеспечении совместной работы пород и крепи необходимо тщательное расклинивание распорок со стороны лежачего и висячего боков, а для предотвращения вывалов - затяжка обнажений висячего бока.

Если породы висячего бока имеют однородное строение (неслоистое) то давление на крепь определяется на основании теории свода. Распределение  опорного давления показано на рис 7.6, стойки рассчитываются на случай наиболее неблагоприятной работы, т.е. в средней части блока. Величины Ро и δ0 принимаются на основании давления пород, заключённыx в объеме свода давления.

 

В случае поддержания  очистного забоя крепежными рамами рассчитываются не только стойки, но и  верхняки. Расчеты проводятся для наиболее тяжелых условий работы крепи (на границе с выработанным пространством).

Рассмотрим случай разработки горизонтально залегающего месторождения, когда для обеспечения безопасности работ сохраняются неполные крепежные  рамы в трех отрабатываемых заходках, остальные погашаются вместе с обрушением пород (рис. 8).[Использована методика расчёта проф. И.И. Зурабишвили]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 8. Схема к расчету крепёжной рамы в заходке (а), эпюры действующих нагрузок (б), изгибающих моментов (в) на верхняк крепёжной рамы:

1, 2, 3 - заходки; 4 - массив  руды- 5 - контур предполагаемого  самообрушения.

 

Давление на крепежные  рамы будет возрастать в направлении  от рудного массива к выработанному  пространству и поэтому каждая стойка и верхняк будут испытывать различные напряжения и деформации. В нашем случав в наиболее тяжелых условиях горного давления будет находиться заходка 1, предназначенная для погашения. Основные работы по добыче полезного ископаемого (бурение, доставка) сосредотачиваются в эаходке 3 и поэтому ее крепление должно быть наиболее надежным.

 

Размеры отдельных элементов  крепежных рам определяют на основании  конкретных условий напряженного состояния  вышележащих пород. Для этого  опытным путем или расчётами  горного давления определяют нагрузки на стойки и верхняк крепежной рамы, на основании которых методами строительной механики рассчитывают их диаметры.

 

Диаметр верхняка d выбирают на основании момента сопротивления W круглого леса по формуле

 

W = π d3 / 32 ≈ 0.1 d3,                                                                     (7)

откуда d = 2.15 W1/3.

 

Зная, что максимальное сопротивление изгибу σизг = Мmax / W (где  Мmax - максимальный изгибающий момент), можно d определить из формулы (7).

d = 2.15 (Мmax / σизг)1/3.                                                                8)

 

Если учесть коэффициент  запаса прочности крепежного материала  Кз , то формула (7.8) будет иметь следующий  вид

d = 2.15 (Мmax Кз / σизг)1/3.                                                          (9)

 

Коэффициент запаса прочности  обычно принимают равным 1.5÷2.0.

Максимальный изгибающий момент определяется в зависимости  от распределения нагрузки на верхняк:

при равномерно-распределённой нагрузке q на пролете l :

 

Мmax = q l2 /8;                                                                                          (10)

при различных усилиях  Р1 и Р2

                        P1 l02     l03

Мmax = R1 l0 - ------- - ----- (Р2 – Р1),                                                     (11)

                          2        6 l

 

где R1 - реактивное усилие: R1 = l0 (Р2 + 2Р1) / 6,

l0 - расстояние от стойки  крепежной рамы до точки максимального  прогиба верхняка

 

l √[Р12 + (Р2 – Р1) (Р2 + 2Р1) / 3]

l0 = -------------------------------------.                                                         (12)

                       Р2 – Р1

Здесь Р1 = q1 b и Р2 = q2 b - соответственно усилия на стойки со стороны  рудного массива и выработанного  пространства; q1 и q2  - действующие  напряжения на стойки; b — расстояние между крепежными рамами.

 

Величину Мmax определяют по формулам (10) и (11), затем, подставив в формулу (7.9), находят диаметр верхняка. Стойки принимают такого же диаметра, как верхняк, но предварительно проверяют на прочность при большем осевом усилии Р2. Если Р2≤ [σсж] Sст (где [σсж] - сопротивление материала стойки на сжатие; Sст - площадь сечения стойки), то стойка будет устойчивой.

 

Верхняки в заходках 1 и 2 (см. рис. 7) будут нагружены равномерно-распределенной нагрузкой и расчеты Мmax можно вести по формуле (10); значение q может быть значительно выше, чем q1 и q2. В результате крепежные рамы, принятые ранее для заходки 3, будут деформироваться, что и наблюдается на практике.

 

Каменная крепь применяется  в виде искусственных опор или  полос из бутового камня на песчано-цементном растворе.- Отдельные столбы - опоры возводятся и очистных забоях по мере подвигания работ, полосы выкладываются взамен междублоковых и междуэтажных целиков до начала отработки блока или с некоторым опережением. Материал и размеры каменных опор выбираются на основании конкретных горно-геологических условий. Из-за трудности механизации работ и больших объемов ручного труда возведение каменной крепи требует значительных экономических затрат. Поэтому этот вид поддержания наибольшее распространение получил при отработке жильных месторождений ценных руд или опасных по горным ударам (Индия, Южная Африка) При больших объемах работ по креплению этот способ поддержания становится нецелесообразным и его заменяют закладкой выработанного пространства.

 

На калийных и марганцевых  месторождения, залегающих в слабых осадочных породах и характеризующихся  достаточно выдержанными условиями  залеганий (сравнительно постоянная мощность, горизонтальный или пологий угол падения), применяют системы разработки длинными столбами с обрушением пород. Для крепления очистных забоев применяют металлические стойки и различного типа передвижные механизированные комплексы. Конструкции применяемых крепей для поддержания очистных забоев - лав аналогичны тем, которые широко используются при разработке пологих угольных пластов. По этим вопросам имеется обширная специальная литература и поэтому изложение вопросов технологии применения механизированной передвижной крепи здесь не приводится.