книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности под влиянием подземной разработки

танности земной поверхности определяются эмпирическим путем по данным инструментальных наблюдений.

2.3 Влияние трещиноватости горных пород на процесс сдвижения породной толщи и земной поверхности

Массив горных пород разбит совокупностью трещин раз­ личного происхождения на отдельные структурные блоки. Раз­ ные по размеру трещины оказывают различное влияние на про­ цесс сдвижения горных пород и земной поверхности.

Мелкие трещины (сланцеватость, кливаж и др.) в зависимо­ сти от их интенсивности, ориентировки относительно горной выработки, наличия и свойств заполнителя могут весьма суще­ ственно снизить прочностные свойства массива и устойчивость пород при их обнажении.

Крупные тектонические трещины и зоны нарушения оказы­ вают существенное влияние на процесс сдвижения, как правило, определяя границу разрыва сплошности пород и земной поверх­ ности. Вывалы, отслоения и обрушения кровли в очистных и подготовительных выработках происходят по поверхностям кру­ пных тектонических трещин.

Знание пространственной ориентировки и закономерно­ стей распространения трещиноватости необходимо для прогно­ зирования характера процесса сдвижения горных пород и зем­ ной поверхности, степени деформирования подрабатываемых горных выработок и объектов на земной поверхности, для безо­ пасного и эффективного ведения горных работ. В связи с этим проводят изучение как мелкой трещиноватости горных пород, так и крупных тектонических трещин.

Изучение трещиноватости проводят по обнажениям пород, а также по кернам из скважин при разведке месторождения.

Существенная информация о пространственных законо­ мерностях структурных ослаблений породного массива может быть получена на основе детального изучения трещиноватости по кернам геологоразведочных скважин. Для этого необходимо обеспечить фиксацию первоначальной пространственной ори­ ентировки извлекаемых кернов. Керны осматривают, выявляют

трещины и поверхности напластования, измеряют их ориенти­ ровку относительно образующей керна, определяя затем перес­ четом элементы залегания поверхностей ослабления в массиве. Часть керна используют для изготовления так называемых ори­ ентированных шлифов (положение плоскостей строго определе­ но в пространстве).

Под микроскопом изучают микротрещиноватость по шли­ фам, определяя ориентировку микротрещин относительно ори­ ентированных осей шлифов. Результаты измерений подвергают статистической обработке на диаграммах, выявляя простран­ ственную ориентировку систем микротрещиноватости. Поскольку системы макро- и микротрещиноватости массивов по их пространственной ориентировке четко взаимно коррелируются, такой анализ позволяет прогнозировать пространствен­ ную ориентировку основных систем крупно- и мелкоблоковой трещиноватости.

Степень структурного ослабления массива может суще­ ственно изменяться по простиранию и по глубине. Для прогно­ зирования трещиноватости на подлежащих вскрытию новых горизонтах или участках месторождения, смежных по простира­ нию с разрабатываемой частью месторождения, следует произ­ водить анализ изменений интенсивности трещиноватости — плотности трещин различных систем и интенсивности трещино­ ватости участков массива в целом. Такой анализ позволяет также прогнозировать приближение горных работ к тектоническим разрывам, не выявленным при разведке месторождения: вблизи разрывных нарушений обычно развита оперяющая трещинова­ тость, вследствие чего общая интенсивность трещиноватости возрастает.

Анализ погоризонтных диаграмм трещиноватости позволя­ ет выявить закономерности изменения ее с глубиной и путем экстраполяции дать прогноз развития трещиноватости на оче­ редном горизонте, подготавливаемом к вскрытию.

Наиболее полную характеристику трещиноватости полу­ чают при непосредственном ее изучении в горных выработках.

Места замеров мелкой трещиноватости выбирают таким обра­ зом, чтобы был охвачен весь комплекс горных пород, слагаю­ щих месторождение. На каждом участке массива горных пород, разделенном геологическими нарушениями, изменяю ­ щими условия залегания пород, должно быть не менее одного участка замера.

При отсутствии геологических нарушений расстояние между участками замеров принимают равным 150—200 м. При благоприятных условиях протяженность замерного участка составляет 10—15 м. На участке замера определяют азимуты и углы падения всех систем трещин и слоистости, расстояние между трещинами, линейные размеры (длину и раскрытие) тре­ щин, характер поверхности (плоская, волнистая, гладкая, шеро­ ховатая), наличие и характеристику заполнителя (кальцит, глин­ ка трения и т.п.) полости трещин, степень их обводненности (влажная поверхность, капеж и т.д.).

Угловые параметры трещин замеряют при помощи горного компаса, линейные — линейкой или рулеткой. Визуально устанавливают и отмечают системы трещин, влияющие на обра­ зование вывалов, обрушений, и делают необходимые зарисовки.

При отсутствии обнажений пород или затрудненном к ним доступе изучение трещиноватости можно проводить по данным измерений в скважине, пробуренной перпендикулярно оси выработки. Измерения производят специальными приборами или трещиномерами, конструкция которых позволяет опреде­ лять линейные параметры и ориентировку трещин.

Влияние трещиноватости на процесс сдвижения горных пород определяется положением трещин относительно плоско­ сти напластования или рудной залежи. По величине двугранно­ го угла, образуемого плоскостью трещин с плоскостью напласто­ вания или рудной залежи, трещины подразделяются на нормальносекушие (70-90°) и кососекущие (< 70 ). В зависимости от угла падения различают трещины крутые (46-90°), наклонные (21-45°) и пологие (0-20°). Учет влияния трещиноватости при определении характера и параметров сдвижения горных пород

осуществляют следующим образом. На вертикальном разрезе по каждой профильной линии наблюдательной станции наносят проекции основных систем трещин (рис. 2.3). В полуокружности показывают расположение и углы падения систем трещин. Затем проводят сравнение углов разрывов, полученных путем инстру­ ментальных наблюдений на земной поверхности, с углами паде­ ния проекций систем трещин. При этом необходимо учитывать следующие закономерности:

—сдвижение пород происходит по нормально —и кососеку­ щим продольным трещинам с углом падения в сторону вырабо­ танного пространства;

— при разработке крутопадающих рудных тел сдвижение слоистых пород висячего бока характеризуется прогибом слоев, отрывом и последующим сдвигом их в сторону выработанного пространства. Учитывая, что сопротивление пород отрыву зна­ чительно меньше, чем сдвигу, особое внимание необходимо уде­ лять трещинам отрыва;

—сдвиг пород лежачего бока происходит по наиболее осла­ бленным поверхностям (плоскости слоистости, крупных текто-

Рис. 2.3. Вертикальный разрез но профильной линии с основными системами трещин и слоистостью

нических трещин и нарушений), характеризующимся крутым углом падения в сторону выработанного пространства.

Совпадение углов разрывов с углом падения плоскости напластования (слоистости) в лежачем боку и с одной из систем трещин в висячем боку дает возможность учитывать влияние поверхностей ослабления на параметры процесса сдвижения (см. рис. 2.3).

Трещины с близким к углам разрывов падением в большин­ стве случаев являются границами зоны трещин в породном мас­ сиве. Трещины с более крутым или обратным падением могут быть временными границами зоны обрушений или сдвигов гор­ ных пород.

Знание закономерностей размещения поверхностей осла­ бления в породном массиве позволяет прогнозировать направле­ ния векторов сдвижения, величины углов разрывов и углов сдви­ жений. В зависимости от интенсивности трещиноватости разли­ чают породы сильнотрещиноватые, среднетрещиноватые и сла­ ботрещиноватые. В сильнотрещиноватых породах углы сдвиже­ ния уменьшают на 5° по сравнению с углами сдвижения в поро­ дах средней и слабой трещиноватости. Зная углы падения и ори­ ентировку крупных тектонических трещин, можно с точностью до 2-3° определить величины углов разрывов, а также места воз­ можных образований вывалов и обрушений в горных выработках и границу зоны трещин на земной поверхности.

2 .4 . Особенности процесса сдвижения горных пород при совместной разработке месторождений подземным и открытым способами

Совместная разработка месторождений открытым и подзем­ ным способами, несмотря на трудоемкость технологического порядка, получает все большее развитие благодаря возможности максимально интенсифицировать отработку месторождения с высокими технико-экономическими показателями, обеспечи­ вать более полное извлечение запасов, а также дополнительно вовлекать в разработку значительное количество бедных руд. По сравнению с подземным и открытым способами совместная раз­

работка месторождений является более сложной в геомеханическом отношении.

Поддержание бортов карьера в устойчивом состоянии требует выполнения определенного соответствия между геометрически­ ми параметрами карьера, с одной стороны, и горно-геологически­ ми условиями, физико-механическими характеристиками горных пород — с другой. Подземные работы в бортах и под дном карьера вызывают перераспределение напряжений в породах и, как пра­ вило, приводят к снижению их прочности и устойчивости бортов.

Наличие действующего карьера, в свою очередь, накладыва­ ет отпечаток на ведение горных работ в подземном руднике. При совмещении с открытыми подземные горные работы должны вести с учетом обеспечения безопасного и безаварийного хода работ в карьере.

С точки зрения сдвижения горных пород наиболее сложной является схема совмещения открытых и подземных работ в вер­ тикальной плоскости. При совместной разработке необходимо решать ряд задач, связанных с характером проявления сдвиже­ ния горных пород и безопасным ведением горных работ:

1) определение безопасной толщины потолочного целика между уступами карьера и подземными выработками, а также размеров опорных целиков под дном и в бортах действующего карьера;

2)определение барьерных целиков для изоляции подземных выработок от карьера, локализации процесса сдвижения горных пород, изоляции затопленных участков и т.п.;

3)установление наиболее рационального порядка ведения подземных работ и схем развития карьера, обеспечивающего минимальное воздействие процесса сдвижения горных пород на устойчивость подземных выработок, уступов транспортных берм

ибортов карьера;

4)изучение особенностей развития сдвижения и обрушения пород при подземных разработках в бортах карьеров. Решение этой задачи особенно важно, когда зона обрушения пород выхо­ дит на участки действующего карьера;

5) изучение закономерностей воронкообразования в зоне карьера при подземных работах с целью разработки мероприя­ тий по безопасному и эффективному ведению открытых гор­ ных работ.

Устойчивость откосов бортов карьеров определяется соот­ ношением сдвигающих и удерживающих сил. Уменьшение удер­ живающих сил, приводящее к снижению устойчивости подрабо­ танных откосов, может происходить за счет уменьшения проч­ ностных характеристик массива пород, изменения геометриче­ ских параметров откоса борта и направления действия удержи­ вающих (сдвигающих) усилий.

Степень разупрочнения пород в результате подработки может быть различной и зависит от конкретных условий место­ рождения: интенсивности структурной раздробленности мас­ сива, ориентировки плоскостей ослабления относительно под­ земных очистных выработок и элементов карьера, первоначаль­ ной прочности массива и степени его подработанности, стадии развития зоны сдвижения и др.

Учет ослабляющего действия на устойчивость откосов бортов и уступов в результате изменения структуры и прочно­ сти массива не вызывает особых трудностей. Более сложными для учета и прогнозирования являются остальные факторы, совместное проявление которых вызывает изменение геоме­ трии борта карьера и перераспределение действующих в нем усилий.

Характерен в этом отношении случай обрушения откоса на карьере Мукуланский (Тырныаузское месторождение), который подрабатывался подземными горными работами рудника «Молибден» (рис. 2.4). Сдвигающийся массив борта находился в верхней части карьера. В результате подземной разработки руд­ ного тела системами с обрушением налегающих пород зона обрушения вышла на поверхность у основания рассматриваемо­ го участка откоса.

В итоге увеличились высота откоса и угол его наклона, зона обрушения захватила основание откоса. Это привело к измене-

Рис.2.4. Схема совместной разработки Тырныаузского месторождения: 1 — ствол шахты «Капитальная»; 2 — штольня «Главная»; 3 — предель­ ный контур карьера «Мукуланский»; 4 — Северо-Западный скарн; 5 — зона обрушения от выемки Северо-Западного скарна; 6—сдвигающий­ ся массив; 7 — Главный скарн; 8 — существующая зона обрушения от выемки Пивного скарна; 9 — предполагаемая зона обрушения от выем­ ки Главного скарна; 10 —зона трещин; 11 — зона плавных сдвижений; 12 — слепая залежь; а — запасы, отрабатываемые открытым способом; б — запасы, отрабатываемые подземным способом

нию соотношения сдвигающих и удерживающих сил, часть борта пришла в движение.

На другом участке этого же карьера в зону сдвижения и обру­ шения попал торец карьера (по простиранию). Это привело к снижению устойчивости участка борта на лежачем боку и его смещению. Интересно отметить, что векторы сдвижения были направлены не в сторону зоны обрушения, а в сторону склона.

Неблагоприятное воздействие зоны обрушения на устойчи­ вость бортов и уступов может проявляться самым различным образом. При производстве открытых горных работ в зонах обру­ шения наиболее опасной формой деформации подработанных массивов является воронкообразование, причем решающим сле­ дует считать момент выхода воронок обрушения на поверхность. В связи с этим необходимо, с одной стороны, подземные горные работы под дном и в бортах карьеров проводить по схемам и

параметрам, которые обеспечивали бы минимальные условия для образования воронок обрушения. С другой стороны, за развитием зон обрушения в массиве должен осуществляться систематический контроль.

На условия формирования и развития воронок обрушения существенное влияние оказывают физико-механические свой­ ства, в частности плотность обрушенных пород. С увеличением плотности возрастает вероятность формирования пустот над очистными блоками, которые затем могут развиться в воронки обрушения.

Системы разработки с обрушением руд и налегающих пород далеко не всегда могут быть использованы при совместной раз­ работке месторождения. Предотвращение деформирования с разрывом сплошности подработанного массива пород достига­ ется путем оставления опорных целиков и потолочин камер или полной закладки выработанного пространства.

При подземной разработке месторождения без обрушения налегающих пород под дном и в бортах карьера очистные камеры будут занимать различные положения относительно контуров карьера. Совместная разработка месторождения вызывает в зоне влияния подземных камер изменение сил, определяющих устойчивость пород. Когда подземные горные работы получают значительное развитие, а карьер находится в зоне их влияния, особое внимание следует уделять состоянию, устойчивости и расчетам подземных несущих конструкций. Задачи решаются с использованием методов моделирования на оптически активных материалах и математического моде­ лирования.

2.5 Маркшейдерские наблюдения за сдвижением горных пород и земной поверхности. Меры охраны сооружений

Методы наблюдений за сдвижением горных пород, земной поверхности и подрабатываемыми объектами при разработке рудных и угольных месторождений аналогичны. Вместе с тем разработка проектов наблюдательных станций, методики наблюдений в ряде случаев может иметь существенные отличия