Особенности напряжённо-деформированного состояния массива пород вокруг очистных выработок

 

Рис 4.4. Распределение  напряжений в зоне влияния очистной выемки мощных пластообразных рудных залежей

а - схемы и размеры  зон различного напряженного состояния, б, в - изменение коэффициента концентрации напряжений в зависимости от расстояния до горизонта очистных работ у висячего и лежачего боков залежи.

1 - рудное тело; 2 - зона  обрушения, 3 - зона опорного давления, 4 - зона разгрузки, 5 - зона сдвижения, 6 - зона разрушенной руды.

 

В условиях апатитовых месторождений  Хибин, разрабатываемых системой с  массовым принудительным обрушением, ширина зоны опорного давления при  высоте горизонта 70 м составляет 40—70 м.

 

4.3. Взаимное влияние очистных выработок при разработке обособленных и сближенных пластов и рудных тел.

В реальных условиях случаи, когда пласт или рудное тело отрабатывают одним забоем, а породы окружающего  массива испытывают влияние лишь одной очистной выработки, встречаются редко. Гораздо чаще очистные работы ведут в непосредственной близости от ранее выработанных пространств, одновременно по нескольким пластам или жилам, или же на нескольких соседних участках одного и того же пласта (рудного тела).

В этих случаях окружающие породы подвергаются одновременному воздействию нескольких очистных выработок, поле статических напряжений в массиве пород вокруг очистных пространств формируется в результате наложения областей влияния каждой выработки и может иметь весьма сложную структуру. Вследствие этого количественно охарактеризовать взаимное влияние очистных выработок в настоящее время весьма сложно, поэтому ограничимся рассмотрением лишь качественной стороны вопроса.

Рассмотрим два наиболее характерных случая взаимного расположения очистных выработок:

• очистные выработки располагаются в одной горизонтальной плоскости;
• взаимовлияющие выработанные пространства находятся на различной глубине от поверхности.

В первом случае в результате взаимного влияния выработанных пространств в областях массива, примыкающих к границам очистных выработок, происходит наложение зон опорного давления, и породы испытывают повышенные нагрузки. Подобная ситуация, например, имеет место, когда осуществляют отработку рудного тела или пласта без оставления целиков и фронт отработки непосредственно соприкасается в плане с ранее выработанным пространством или обрушенными породами (рис. 4.5б).

Рис. 4.5. Взаимное наложение  зон опорного давления при различных  схемах развития очистных работ.

а - при отработке ранее оставленных целиков; б - при ведении работ без оставления целиков между вновь образуемым и ранее образованным очистным пространством; в - при ступенчатой форме лавы. Стрелками показано направление движения забоев.

1 - область вне пределов зоны  опорного давления; 2 - зона опорного давления протяженностью l; 3 - участки взаимного наложения зон опорного давления; 4 - отработанное пространство.

 

Наложение зон опорного давления может  происходить при отработке ранее  оставленных целиков, а также  при ступенчатой конфигурации фронта очистных забоев (рис. 4.5 а,в). В соответствии с этим для облегчения условий добычи полезного ископаемого необходимо по возможности стремиться к прямолинейной форме фронта очистных работ и равномерному перемещению в пространстве всех забоев, без образования выступов неотработанных частей пласта или рудного тела в выработанном пространстве.

Однако реальная опасность  и практические затруднения в  вопросах охраны и поддержания выработок, попадающих в зону опорного давления, возникают лишь в случае, когда значения действующих напряжений приближаются к пределам прочности пород.

Во втором случае (когда разрабатывают  свиту пластов или жил) величины деформаций пород обусловливаются, прежде всего, порядком и очередностью отработки отдельных пластов (жил) в свите, их мощностью, условиями залегания и способом управления горным давлением.

Различают пласты независимые и  сближенные. Пласты в свите считают независимыми, если разработка их возможна в любом порядке и очередности. Под сближенными понимают обычно такие пласты, одновременная разработка которых затруднена или невозможна или когда разработка одного из них осложняет дальнейшую разработку другого.

При отработке нижнего пласта (или жилы) раньше, чем верхнего (т. е. при подработке) происходит смещение пород междупластья, вследствие чего над нижним пластом возникает, как правило, зона беспорядочного обрушения, переходящая постепенно в зону прогиба пород с образованием трещин, выше которой появляется зона плавных прогибов. Если подрабатываемый пласт попадает в одну из первых двух зон, то он может оказаться разрушенным или сильно разбитым трещинами, и разработка его становится затруднительной.

В процессе подработки верхний  пласт последовательно проходит через следующие стадии деформирования:

а) нагрузка и уплотнение в зоне опорного давления, возникающей впереди очистного забоя нижнего пласта;

б) разгрузка, опускание и разломы  над породами, нависающими над  выработанным пространством нижнего подрабатывающего пласта;

в) повторная нагрузка и уплотнение в зоне опорного давления, возникающей позади нависающих пород (т. е. в той части выработанного пространства, где эти породы получают опору);

г) частичное восстановление первоначальных напряжений в зоне полных сдвижений.

 

При отработке верхнего пласта раньше нижнего (т. е. при надработке) нижележащий пласт подвергается сложному процессу нагружения и разгрузки на площади, превышающей размеры отрабатываемой площади верхнего пласта. Надработка вызывает уплотнение пород вокруг надрабатываемого пласта в зонах опорного давления и разрыхление их в зонах разгрузки.

Таким образом, при расположении очистных выработок на разной глубине  состояние пород в областях массива, испытывающих влияние обеих выработок, может характеризоваться как  ростом действующих напряжений (при  наложении зон опорного давления), так и их снижением (при расположении одной из выработок в зоне разгрузки другой выработки). Необходимо подчеркнуть при этом, что взаимное влияние даже одинаковых по размерам очистных выработок неравноценно, верхняя выработка оказывает на нижележащую, как правило, гораздо меньшее влияние, чем нижняя - на вышерасположенную. В соответствии с этим горные работы стараются чаще вести в условиях надработки пластов или жил (т.е. в направлении сверху вниз) и реже в условиях подработки.

Учитывая, что проведение очистных работ в условиях взаимного  влияния забоев сближенных пластов (жил) определяется большим числом нередко  противодействующих факторов, окончательный  вывод об оптимальном расположении забоев очистных выработок в пространстве может быть сделан лишь с учетом конкретной горно-геологической обстановки.

Так в общем случае, если не предвидится каких-либо специфических  опасных явлений, нерационально  располагать вновь проводимые выработки  в зоне разгрузки ранее пройденных выработок. Именно в этом случае в выработках наблюдаются наиболее массовые и интенсивные проявления горного давления (заколообразование, вывалы, обрушения, поддувание почвы и др.), затрудняющие поддержание выработок и их эксплуатацию.

По-видимому, наилучшие  условия для устойчивости выработок могут быть обеспечены при организации очистных работ таким образом, чтобы все последующие выработки располагались в той части зоны опорного давления, где напряжения, хотя и несколько превышают уровень статических напряжений в нетронутом массиве, но по отношению к прочностным характеристикам пород не являются чрезмерно высокими. Это достигают соответствующим уступным расположением фронта очистных забоев по высоте рудного тела снизу вверх.

Рассмотренные случаи взаимного  расположения очистных выработок являются простейшими и, естественно, не исчерпывают всего многообразия конкретных ситуаций, которые могут иметь место в тех или иных условиях.

 

4.4. Основные принципы выбора способа  управления горным давлением  при ведении очистных работ.

Особое внимание при  выборе способа управления горным давлением  в очистных выработках уделяют поведению  пород кровли. При слоистом строении массива пород выделяют понятия непосредственной кровли (обрушающейся сразу за образованием очередного участка обнажения пород в пределах призабойного пространства) и основной кровли. При этом оценивают способность пород кровли к обрушению, высоту зоны обрушения, размеры и длительность сохранения устойчивых обнажений (особенно непосредственной кровли в пределах призабойного пространства), свойства пород почвы (прочность, способность к пучению, сопротивляемость вдавливанию в нее стоек крепи и др.), применяемые системы разработки и виды крепи, скорость подвигания очистных забоев, количество и степень выбросоопасности разрабатываемых пластов, расстояние между ними, сроки и порядок их отработки, наличие на земной поверхности объектов, подлежащих защите от влияния горных работ, оснащенность забоев машинами и механизмами, их габаритные размеры и т. д.

Степень значимости каждого  из перечисленных факторов часто зависит от конкретных условий: второстепенные факторы в одних условиях могут оказаться определяющими, и, наоборот, определяющие факторы в других условиях могут оказаться второстепенными. Так, при отработке запасов полезного ископаемого под ответственными сооружениями, плотно застроенными территориями, крупными водными объектами нередко приходится применять системы разработки с закладкой выработанного пространства, тогда как по прочим факторам было бы вполне возможно применить в этих условиях другие, более производительные и экономичные системы разработки и способы управления горным давлением. При отработке защитных пластов в условиях возможности геодинамических проявлений горного давления, наоборот, предпочтительнее полное обрушение кровли, так как при этом способе управления горным давлением достигается наибольшая разгрузка пластов, опасных по выбросам угля и газа.

Вместе с тем имеются  факторы, которые являются основными  при выборе способа управления горным давлением в большинстве встречающихся на практике случаев.

К этим факторам следует  отнести, прежде всего, способность  пород кровли к обрушению, которая  положена в основу ряда классификаций. Одной из первых, не потерявших своего значения до настоящего времени, является классификация ВУГИ (табл. 4.1), предназначенная для выбора способа управления горным давлением в условиях разработки пологих пластов в основных угольных бассейнах нашей страны и стран ближнего зарубежья.

Существуют также и  другие классификации пород, в основе которых лежат подобные же признаки, но число выделяемых классов другое.

Несмотря на условность приведенной классификации (в ней  не учтены коэффициенты разрыхления  пород, применяемые виды крепи и  некоторые другие влияющие факторы), она и подобные ей классификации играют важную роль в упорядочении выбора оптимальных способов управления горным давлением.

 

Классификация пород  для выбора способа управления горным давлением 

Таблица 4.1

Класс пород	Характеристика пород  кровли	Характеристика  пород почвы
I	В непосредственной кровле залегает легкообрушающаяся порода, состоящая из одного или нескольких слоев мощностью, не меньшей 6 - 8-ми кратной мощности разрабатываемого угольного пласта	Любой устойчивости
II	В непосредственной кровле залегает толща легкообрушающихся пород, мощность которых меньше 6 - 8-ми кратной мощности разрабатываемого угольного пласта. В основной кровле - труднообрушающаяся порода или же порода, обрушающаяся спустя некоторое время после подвигания очистного забоя и обнажения значительной площади	Любой устойчивости
III	В непосредственной кровле залегает мощный слой труднообрушающейся породы или же над пластом залегает основная кровля, которая может быть обнажена на значительной площади	Любой устойчивости
IV	В непосредственной кровле залегают породы, обладающие способностью плавно опускаться без значительных разрывов и обрушения (при мощности пласта до 1 м)	Склонные к пучению

 

Наибольшее распространение  при разработке угольных и ряда рудных месторождений получил способ управления горным давлением, носящий название полное обрушение кровли.

Применение этого способа  позволяет перенести обрушение  пород за пределы призабойного пространства. Осуществляют его периодическими обрушениями (посадками) кровли путем выбивки  или передвижения крепи, установленной на определенном расстоянии от забоя. Для регулирования обрушения основной кровли применяют специальную крепь, выдерживающую большую нагрузку, чем обычная призабойная крепь. В качестве специальной крепи используют органные стенки, металлические костры, кусты из деревянных или металлических стоек, посадочные элементы механизированных крепей и т. д.