Особенности напряжённо-деформированного состояния массива пород вокруг очистных выработок

Тема 4. Особенности  напряжённо-деформированного состояния массива пород вокруг очистных выработок. 2 часа.

Характерные типы проявлений горного  давления в очистных выработках. Напряжённо-деформированное  состояние массива пород вокруг очистной выработки. Зоны опорного давления и разгрузки. Взаимное влияние очистных выработок при разработке обособленных и сближенных пластов и рудных тел. Основные принципы выбора способа управления горным давлением при ведении очистных работ. Классификация применяемых систем разработки месторождений твёрдых полезных ископаемых.

 

4.1. Характерные типы проявлений  горного давления в очистных  выработках.

Выработки, образуемые в  результате непосредственной выемки полезного  ископаемого при его разработке, называют очистными.

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

Однако по сравнению  с подготовительными и капитальными выработками очистные выработки  обладают некоторыми особенностями. Важнейшими из них являются:

• значительно большие размеры поперечных сечений и их изометричность;
• непрерывное движение забоя, обусловливающее постоянное изменение поля статических напряжений вокруг выработки, а также большую интенсивность воздействия технологических процессов (взрывных работ);
• существенно меньшее время эксплуатации.

Эти особенности очистных выработок определяют, в свою очередь, и специфические проявления горного  давления в них.

В частности, значительные размеры сечений очистных выработок определяют увеличение зоны неупругих деформаций вокруг них по сравнению с капитальными и подготовительными выработками, в процесс деформирования пород вблизи очистных выработок вовлекается большее количество структурных неоднородностей низких порядков (крупноблоковой трещиноватости, геологических нарушений и пр.). Вследствие этого достаточно часто реализуются такие виды деформирования массива, как пластическое течение, вязкое деформирование и обрушение.

При некоторых сочетаниях уровня действующих напряжений и свойств пород в очистных выработках возможны и упругие деформации кровли с сохранением ее устойчивости, либо с внезапным разрушением в форме динамических проявлений горного давления.

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 некоторую рабочую зону - часть её в непосредственной близости от забоя, ограниченно применяя мощные жесткие виды крепи. Относительно же легкие деревянные или металлические податливые крепи, пневмобаллонные крепи, штанговая крепь и передвижные механизированные крепежно-добычные комплексы, перемещаемые по мере подвигания забоя, находят весьма широкое применение (фото передвижной механизированной крепи).

Для управления горным давлением  в очистных выработках часто используют закладку из пустой породы, которая поддерживает кровлю очистных пространств и 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.

В качестве мероприятий  по управлению горным давлением в  очистных выработках широко применяют  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 воздушных ударов. Это создает возможность безопасного ведения горных работ в непосредственной близости от очистных выработок.

Формы и характер проявлений горного давления в очистных выработках весьма разнообразны (от небольших  перемещений 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 массива горных пород, мощности и угла падения 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 месторождения и установление оптимальных параметров этих систем.

В капитальных и подготовительных выработках были выделены три характерных  типа проявлений горного давления, физический смысл которых заключается в 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, достаточно немногочисленных случаях, указанными упругими смещениями процессы деформирования массива пород и исчерпываются. Однако это может иметь место лишь при очень прочных породах и высокой степени монолитности 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.

 

4.2. Напряжённо-деформированное состояние  вокруг очистной выработки. Зоны  опорного давления и разгрузки.

По мере извлечения полезного  ископаемого и перемещения забоя поле напряжений вокруг очистной выработки изменяется. Область массива, в пределах которой происходят эти изменения, называют зоной влияния очистной выработки. В отличие от подготовительных выработок зоны влияния вокруг очистных пространств охватывают значительно большие области массива. Нередко процессы захватывают всю толщу вышележащих пород вплоть до дневной поверхности. Значительные области массива вовлекаются в процессы деформирования также и со стороны почвы очистной выработки.

По степени и характеру  процессов деформирования и перемещения пород в пределах области влияния очистной выработки в массиве могут быть выделены несколько различных зон: зона обрушений, зона трещин, зона плавного прогиба, зона сдвижений.

С точки зрения напряженного состояния  в массиве пород вокруг очистной выработки выделяют две характерные зоны: зону разгрузки и зону опорного давления (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема деформирования пород вокруг очистной выработки  при крутом падении пласта.

1 — зона опорного  давления; 2 — пласт угля; 3 — зона разгрузки; 4 — эпюры напряжений; 5 — граница области влияния выработки.

 

Зона разгрузки характеризуется тем, что в ее пределах породы испытывают меньшие напряжения, чем существовавшие до проведения очистной выработки. Область, где напряжения превышают уровень первоначального поля напряжений, носит название зоны опорного давления и по существу представляет собой зону концентрации напряжений вокруг очистной выработки.

Необходимо отметить, что поскольку границы очистной выработки все время перемещаются в пространстве, выделенные зоны также находятся в непрерывном движении, так что породы массива, претерпевая изменения состояния, постепенно переходят из одной зоны в другую.

В частности, на угольных месторождениях под влиянием высоких напряжений в краевой части пласта, уголь, непосредственно примыкающий к забою, разрушается, его несущая способность снижается, и максимум опорного давления перемещается в глубь массива. В результате размеры зоны разгрузки увеличиваются, а границы зоны опорного давления отодвигаются от кромки забоя. Разрушенный уголь интенсивно отжимается в выработку, что широко используют в практике для снижения усилий на его отбойку.

Подобные же явления  отмечаются и на некоторых рудных месторождениях.

 

Ввиду непрерывного подвигания забоя очистной выработки в практике горного дела принято выделять временное или эксплуатационное опорное давление, возникающее вблизи перемещающихся границ очистного пространства. В противоположность этому, зону концентрации напряжений возле неподвижной границы очистной выработки называют зоной остаточного или стационарного давления.

Параметры зоны опорного давления определяются многими факторами. В первую очередь, к ним следует  отнести параметры начального поля напряжений, размеры и конфигурацию очистных пространств, деформационно-прочностные свойства массива вмещающих пород, а также способ воздействия на угольный пласт или рудное тело. На рис. 4.2 представлены зависимости ширины зоны опорного давления от глубины заложения очистной выработки и от мощности пласта в условиях угольных месторождений.

 

 

Рис 4.2. Зависимости ширины l зоны опорного давления от глубины заложения очистных выработок H и от мощности пласта m.

 

Вследствие сложности  определения напряженно-деформированного состояния пород вокруг очистных выработок до широкого распространения методов математического моделирования, расчет параметров зоны опорного давления выполняли без вычисления компонент полей статических напряжений в массиве, окружающем выработанные пространства. Такой подход основан на следующих положениях:

1. Если на контуре выработки породы претерпевают значительные пластические деформации или разрушаются, то результирующая эпюра опорного давления имеет вид не плавной кривой, а содержит точку перегиба и состоит из двух ветвей, возрастающей и ниспадающей (рис. 4.3).

Рис. 4.3 Эпюра  напряжений в зоне опорного давления при разрушении пород на контуре  очистной выработки.

 

2. Параметры зоны опорного давления могут быть определены на основе аппроксимации обеих ветвей эпюры некоторыми функциями, конкретный вид которых зависит от принятых допущений.

Однако наиболее надежными  являются результаты натурных определений  и измерений параметров зон опорного давления, а не расчетные параметры. В частности, многочисленными инструментальными  наблюдениями установлено, что пик напряжений в зоне опорного давления располагается обычно на расстоянии от забоя, равном 2 - 5 мощностям пласта и равен чаще всего (2-3) gH.

Для рудных месторождений  закономерности образования зон  опорного давления и распространения  их в глубь массива от кровли и почвы очистных выработок изучены в меньшей степени, имеются данные лишь для отдельных конкретных месторождений.

В частности, по результатам непосредственных измерений напряжений в массиве пород вокруг камер на Высокогорском железорудном месторождении Урала установлено, что максимальное значение опорного давления при ширине камер 15—60 м составляет (3 - 11) gH. Этот максимум расположен на расстоянии 2 - 6 м от границы выработанного пространства.

 

В условиях мощных крутопадающих  пластообразных залежей, как, например, на рудниках им. Дзержинского и им. Кирова в Криворожском железорудном бассейне, при разработке системами с обрушением зона стационарного опорного давления со стороны висячего бока распространяется ниже горизонта очистных работ на 130 - 140 м по вертикали. Коэффициент концентрации К_s напряжений составляет в среднем 1.4 (рис 4.4).

Со стороны лежащего бока зона опорного давления начинается ниже горизонта очистных работ на 30 м и протягивается на глубину  до 180 м. Область максимальной концентрации напряжений располагается на глубине 110—120 м, при этом коэффициент концентрации К_s в среднем равен также 1,4.