книги / Основы механики горных пород

Рис. 89. Схемы поддержания очистных пространств с помощыо ленточных (а) и столб­ чатых (б) целиков.

Таким образом, определение предельно допустимых разме­ ров обнажений пород в очистных выработках и расчет опти­ мальных параметров целиков являются весьма актуальными, крайне важными задачами механики горных пород.

Все многообразие пространственных схем расположения це­ ликов, встречающихся при разработке пластовых и рудных ме­ сторождений, может быть сведено к следующим основным слу­ чаям:

а) неограниченная периодическая последовательность оди­ наковых по своим размерам и формам междукамерных, околоштрековых и других целиков;

б) неограниченная периодическая последовательность цели­ ков различных размеров и формы;

в) бессистемное расположение целиков различных размеров и конфигурации в плане.

При этом по конфигурации горизонтальных сечений разли­ чают целики ленточные и столбчатые (рис. 89).

Поскольку очистные выработки и целики образуют единую пространственную систему в массиве горных пород, их опти­ мальные параметры во всех случаях должны быть взаимосвя­ заны и взаимообусловлены. С параметрами очистных вырабо­ ток и целиков непосредственно связаны размеры области мас­ сива пород, которые вовлекаются в процесс деформирования при ведении очистных работ. Поэтому для обоснованного оп­ ределения оптимальных параметров систем разработки, в част­ ности размеров очистных выработок и целиков, требуется ана­ лизировать напряженно-деформированное состояние системы

целик — очистная выработка — толща вмещающих пород.

Обычно в каждом конкретном случае стремятся выявить наиболее слабое звено — лимитирующий элемент, устойчивое

состояние которого предопределяет состояние всех остальных звеньев, и исходя из параметров этого элемента устанавли­ вают остальные параметры системы разработки [112]. Весьма часто подобными лимитирующими элементами являются це­ лики или кровля камер, реже — вышележащая толща пород. Последнее характерно для условий применения комбинирован­ ных систем разработки рудных тел открытым и подземным спо­ собом, а также для условий добычи легкорастворимых полезных ископаемых (например, солей), и при ведении горных работ под водоемами, когда необходимо обеспечивать устойчивость пород во избежание провалов, прорывов воды и пр.

Хотя и реже, но встречаются также условия, когда лимити­ рующим элементом является почва выработок и устойчивость выработанных пространств определяется деформированием и разрушением пород, подстилающих рудные залежи или пласты угля. Так, известны случаи, когда в результате вдавливания целиков в глинистую почву происходили завалы выработок на больших площадях. Например, это имело место на одном гипсо­ вом руднике, где добычу вели камерным способом на глубине 100 м. Размеры камер и целиков были примерно одинаковыми

вдавливание целиков, которое сопровождалось одновременным пучением почвы и образованием трещин в пачке гипса, остав­ ляемой в почве камер в целях повышения их устойчивости. Вдавливание целиков происходило неравномерно как по пло­ щади, так и по времени, что приводило к весьма неравномер­ ному сдвижению и прогибу кровли и появлению в ней трещин. В результате на руднике практически мгновенно в течение не­ скольких минут произошло обрушение пород на большой пло­ щади, и рудник был выведен из строя.

Большое влияние на характер деформирования отдельных элементов и всей системы целик — очистная выработка — толща вмещающих пород в целом оказывают соотношения деформаци­ онно-прочностных свойств пород, слагающих целики, кровлю и почву очистных выработок, а также вышележащую толщу. Весьма существенны также характер и свойства контактов це­ ликов с кровлей и почвой выработок.

Для расчета оптимальных параметров очистных выработок и целиков необходимо:

а) установить характеристики нагрузок, действующих в мас­ сиве пород, вмещающем элементы системы разработки, раз­ меры которых подлежат определению;

б) по значениям нагрузок вычислить параметры вызывае­ мых ими напряжений и деформаций в потолочинах и целиках; в) на основании вычисленных характеристик иапряженно-

деформированного состояния и сравнения их с деформационно­ прочностными параметрами пород, слагающих потолочины, кровлю и целики, оценить несущую способность и устойчивость этих элементов.

Первые два пункта указанной последовательности операций могут быть выполнены с привлечением различных методов (тео­ ретических и экспериментальных), о которых речь шла выше. Они являются необходимыми при оценке несущей способности целиков и обнажений пород, но принципиальных отличий от методов определения напряженного состояния массива пород вокруг выработок не имеют. Третий пункт составляет сущность расчета оптимальных параметров целиков и обнажений пород в очистных выработках. Он в обязательном порядке включает проверку указанных элементов систем разработки на прочность

иустойчивость.

§60. ПРЕДЕЛЬНЫЕ РАЗМЕРЫ ОБНАЖЕНИИ ПОРОД

ВОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТКАХ

При разработке месторождений полезных ископаемых лимитирующим элементом часто является кровля выработок, поскольку именно здесь в первую очередь возможно образова­ ние областей растягивающих напряжений, к которым особенно чувствительны горные породы вследствие своих структурных особенностей и деформационно-прочностных свойств. Наряду с этим в кровле очистных выработок, особенно в областях, при­ мыкающих к целикам, могут образовываться зоны действия высоких сжимающих напряжений. Это может иметь место, когда очистные выработки располагаются в однородных или близких по деформационно-прочностным характеристикам по­ родах, и при этом целики полностью сохраняют сцепление с массивом пород по своим основаниям.

Таким образом, задача об определении параметров устойчи­ вых очистных выработок может быть сведена к нахождению размеров предельных обнажений пород в кровле выработок.

В основе определения предельных размеров обнажений по­ род лежат предрасчеты напряженно-деформированного состоя­ ния пород вокруг очистных выработок и сравнение их с соот­ ветствующими критериями. В качестве таких критериев, как указывалось в гл. 7, могут быть приняты либо деформации и напряжения, либо размеры областей или зон, где проявляются, концентрируются опасные деформации и напряжения. Оба вида критериев используют, например, в упомянутых выше ме­ тодах оценки устойчивости кровли очистных выработок, разра­ ботанных В. Д. Слесаревым. Однако В. Д. Слесарев учитывал главным образом один из возможных видов разрушения — отрыв.

На практике образование зоны растягивающих напряжений, а следовательно, и области возможного разрушения кровли в результате отрыва пород предотвращают, оформляя кровлю

рактерного для массивов пород блочной структуры, следует использовать условия (174), которые применяют при расчете параметров зон нарушенных пород вокруг капитальных и под­ готовительных выработок (см. гл. 9). Применимость этих усло­ вий к очистным выработкам подтверждается натурными наблю­ дениями за состоянием приконтурной области массива пород вокруг очистных выработок.

Инструментальными измерениями установлено, что вокруг очистных выработок, как и вокруг подготовительных, образу­ ется зона нарушенных пород, в пределах которой наблюдаются раскрытые трещины и частично нарушается связь между струк­ турными блоками. В результате создается реальная опасность вывалов пород. Для скальных массивов предельный безопас­ ный размер зоны нарушенных пород от контура очистной вы­ работки в глубь массива составляет 0,4 м [59].

Рассчитывая размеры зоны нарушенных пород по форму­ лам (174) и сравнивая, расчетные значения с предельными безопасными, оценивают устойчивость очистных выработок. Если расчетные значения превышают критические, следует пре­ дусматривать специальные мероприятия по повышению устой­ чивости выработок — возведение крепи, уменьшение площади обнажения пород путем оставления целиков или изменения размеров и конфигурации очистных камер.

Глубиной распространения зоны нарушенных пород от кон­ тура выработок в сторону массива определяются также раз­ меры возможных вывалов из кровли, в частности их высота (рис. 90).

Для условий очистных выработок проводить оценку устой­ чивости только по параметрам зоны нарушенных пород недо­ статочно, поскольку вследствие больших площадей обнажения пород в них возможны вывалы и обрушения блоков плитооб­ разной формы. В этих случаях при незначительной высоте вы­ валов поперечные размеры их в плане могут быть очень ве­ лики. Подобные обрушения весьма опасны, так как помимо не­ посредственной угрозы людям они могут вызывать разруши­ тельные воздушные волны и создавать опасные напряжения

Рис. 90. Схема действия сил на структурный блок в кровле и стенке выработки после реа­ лизации скола по поверхностям

структурных блоков.

в массиве от удара обрушившихся масс. Вследствие этого при определении размеров предельных обнажений в очистных вы­ работках необходимо задаваться не только критическим раз­ мером зоны нарушенных пород, но и максимально допустимыми размерами (в плане) отдельных вывалов и обрушений.

Линейные размеры вывалов (в плане) находятся в опреде­ ленной взаимосвязи между собой и, кроме того, определяются соотношениями объемного веса пород, напряжениями распора структурных блоков и коэффициентом трения по контактам структурных неоднородностей, ограничивающих эти структур­ ные блоки [59].

Соотношения размеров возможных вывалов в очистных вы­ работках и указанных параметров, характеризующих струк­ туру и состояние массива, в первом приближении могут быть выражены следующим условием образования вывалов:

где а и b — поперечные размеры возможных вывалов или об­ рушений (в плане); Р — распор структурных блоков; f0— коэф­ фициент трения по поверхностям структурных неоднородностей.

Это неравенство в системе координат (а, Ь) представляет собой гиперболическую кривую, разграничивающую области ус­ тойчивых и неустойчивых обнажений.

Из параметров, входящих в зависимость (185), наиболее трудно определяются коэффициенты трения по поверхности структурных неоднородностей и напряжения распора структур­ ных блоков в пределах зоны нарушенных пород.

Экспериментальные данные о коэффициентах трения по по­ верхностям структурных неоднородностей практически отсут­ ствуют. Имеющиеся единичные результаты определения коэф­ фициентов трения для некоторых разновидностей руд и пород приведены в табл. 10 [13]. Из таблицы видно, что значения ко­ эффициента трения движения для указанных пород колеблются в пределах 0,15—0,33, а коэффициента трения покоя — в преде-

лах 0,33—0,47. Очевидно, для расчетов целесообразнее исполь­ зовать коэффициенты трения движения, с тем чтобы возможная погрешность шла в запас прочности.

Распор структурных блоков Р пока не представляется воз­ можным наделено измерять в натурных условиях. Однако можно предположить, что верхний его предел молено установить ис­ ходя из горизонтальных напрялеений в кровле очистных выра­ боток, если бы зона нарушенных пород отсутствовала. При таком предположении распор структурных блоков можно приблилеенно оценивать по результатам аналитических определе­ ний напряженно-деформированного состояния массива вокруг очистных выработок. Распор структурных блоков молеет также устанавливаться и методом обратных расчетов, если в условиях (185) известны (например, из натурных наблюдений за устой­ чивостью выработок) размеры отдельных вывалов.

Вполне очевидно, что при увеличении распора Р структур­ ных блоков или коэффициентов трения /0 по поверхности струк­ турных неоднородностей размеры устойчивых обнажений воз­ растают.

На рис. 91 приведена диаграмма устойчивых обнажений кровли очистных выработок в зависимости от напряжений бо­ кового распора структурных блоков Р и коэффициента трения fo по поверхностям структурных неоднородностей. Значение объемного веса у ввиду его сравнительно малой изменчивости принято постоянным (у=3,0 тс/м3). Из диаграммы следует, на­ пример, что если произведение Pf0—1, то предельные размеры

= 10, то предельные размеры устойчивых обнажений возрастают до 13,5X13,5 м (точка В); 20X10 м (точка Г) и т. п.

Во многих случаях непосредственную опасность могут пред­ ставлять вывалы пород и из стенок выработок, особенно для условий большепролетных подземных сооружений типа машин­ ных залов гидроэлектростанций, туннелей и т. д. При этом в от-

личие от кровли размеры вывалов из стенок выработок опреде­ ляются лишь одним параметром — размером вывала вдоль вы­ работки, но при этом в предположении наличия горизонталь­ ных естественных трещин, по которым возможен отрыв выпада­ ющего блока.

Аналитически это выражается [59] формулой

На рис. 92 представлена диаграмма для определения раз­ меров возможных вывалов из стенок большепролетных вырабо­ ток при различных значениях углов наклона плоскостей струк­ турных неоднородностей Ô, в частном случае углов падения ес­ тественных трещин, по которым происходит скольжение вывала.

Графическое представление предельных размеров устойчи­ вых обнажений пород в выработках в виде некоторого семей­ ства кривых было впервые предложено проф. Г. А. Крупенниковым в 1952 г. при изучении устойчивости выработок в усло­ виях Подмосковного бассейна [65]. При этом устойчивость выработок Г. А. Крупенников оценивал по смещениям кровли и к устойчивым относил обнажения, при которых не происходило обрушений пород в течение определенного, заданного усло­ виями технологии выемки угля, периода времени.

Область: !— устойчивых обнажениП, 2 — слабых проявлений горного давления, 3— интенсивных

проявлений горного давления.

На осях координат указаны размеры выработан­ ного пространства по падению а и по прости­

ранию Ъ.

вых обнажений кровли очистных выработок на основе опреде­ ления разрушающих нагрузок.

При рассмотрении кровли камер как балок можно предрассчитывать также не только разрушающие нагрузки, но и раз­ рушающие моменты. Например, для потолочины, рассматривае­ мой как балка высотой h и шириной 6, разрушающейся с обра­

где [стеж]. [сгр] — пределы прочности пород соответственно на од­ ноосное сжатие и растяжение; Р — боковой распор.

Естественно, что выполняя расчеты устойчивости кровли ка­ мер по разрушающим нагрузкам, следует вводить в расчетные размеры необходимый коэффициент запаса, обеспечивающий надежность использования расчетных параметров. Однако в на­ стоящее время отсутствуют обоснованные рекомендации по вы­ бору оптимального коэффициента запаса, обеспечивающего как безопасность ведения горных работ, так и экономичность ин­ женерных решений. На практике коэффициент запаса прини­ мают обычно равным 2—3, а для особо ответственных случаев и больше.

Помимо рассмотренных основных факторов, определяющих устойчивость пород в выработках, предельные размеры обна­ жений зависят и от ряда других факторов, учет которых может представлять иногда существенные трудности. К этим факторам относятся, например, снижение деформационно-прочностных

характеристик пород с течением времени, влияние взрывных работ и др. Поэтому в практике широко используют частные классификации пород по устойчивости, составленные путем обобщения практического опыта применительно к тем или иным конкретным месторождениям. Основой этих классификаций обычно служат качественные признаки: петрографический со­ став, структурные и текстурные особенности пород, глубина за­ ложения выработок, гидрогеологические условия и др.

Классификация пород кровли пологих пластов Кузбасса по степени устойчивости

§61. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЦЕЛИКОВ

ВУСЛОВИЯХ УПРУГОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

ИХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ

Если целики сложены достаточно прочными упругими породами и деформируются вплоть до разрушения с проявле­ нием лишь упругих деформаций, но при этом имеют неполное сцепление по своим основаниям с массивом пород в почве и кровле выработок вследствие слабых контактов между рудной залежью или угольным пластом и вмещающими породами, то их следует рассматривать как лимитирующий (слабейший) элемент. В таких случаях нахождение оптимальных параметров системы разработки необходимо начинать с определения несу-