В.К.Багазеев Основы горной геомеханики. Курс лекций Екатеринбург, 2021 удк 622. 831 Рецензенты Зотеев О. В. Вандышев А. М
 Скачать 4.36 Mb.
|
|
5.2. Управление горным давлением в капитальных и горноподготовительных выработках Совокупность мероприятий по обеспечению устойчивости горных выработок и по предупреждению негативных последствий проявления горного давления называют управлением горным давлением. Способы управления: ограничение деформации горных пород; снижение напряжений в окружающем массиве; повышение несущей способности горных пород; гидроизоляция горных пород. Ограничение деформации производится в основном возведением горной крепи, редко возведением искусственных опор. Горная (рудничная) крепь – это искусственное сооружение, возводимое в подземных горных выработках для предотвращения обрушения окружающих пород, сохранения формы и размеров поперечного сечения в течении всего срока службы. (Технология производства работ по креплению горных выработок рассматривается в специальных учебных дисциплинах, в настоящем учебном пособии приводятся лишь ее отдельные определения). Горная крепь классифицируется по разным признакам, в том числе: по материалу, сроку службы, взаимодействию с массивом, деформативности и др. Для крепления используются следующие материалы: дерево, металл, бетон, железобетон, естественные и искусственные камни. Основной конструкцией деревянной крепи горизонтальных выработок является крепежная рама (рис. 5.1)  Рис. 5.1. Схема деревянной крепежной рамы (дверного оклада): 1 – верхняк; 2 – стойки; 3 – лежень; 4 – затяжка  Рис. 5.2. – Схема арочной трехзвенной металлической крепи: а – рама; б – податливый узел; в – специальный профиль  Рис. 5.3. – Схема анкерного крепления: а – штангами; б – сталеполимерными анкерами (СПА); 1 – стержень стальной; 2 – верхний клин с гайкой; 3 – нижний клин; 4 – опорная шайба; 5 – стальная гайка; 6 – полимерная ампула; 7 - ; 8 - ; 9 – СПА в сборе Деревянная крепь – применяется при сроке службы до двух лет. Бетонная крепь используется при креплении капитальных горных выработок. Металлическая крепь применима в породах любой устойчивости (рис. 5.2) и рекомендуется для выработок сроком службы до 20-25 лет. В специальный вид крепления выделяется штанговая крепь (анкерная крепь). Крепь представляет собой штангу (рис. 5.3.), вставляемую в специально пробуренный для этой цели шпур. На одном ее конце имеется гайка, а на другом – замок служащий для закрепления штанги в шпуре. Таким образом, горные породы кровли выработки скрепляются штанговой крепью, которая препятствует обрушению кровли. По роду применяемого материала штанги могут быть металлическими и железобетонными, внедряются сталеполимерные анкера (СПА), удерживаемые в шпуре специальным быстротвердеющем составом. Геомеханическими параметрами крепи считают ее отпор  (синонимы, – несущая способность, реакция) и податливость U (жесткость) конструкции. Отпор крепи отражает ее силовое, а податливость U – деформационное взаимодействие с массивом.Способ снижения напряженно-деформированного состояния вокруг выработки заключается в размещении ее в зонах подработки или надработки, образующихся при очистной выемке. 5.3. Напряжения при очистной выемке угольных пластов 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 гораздо большие области массива. Нередко процессы захватывают всю толщу вышележащих пород вплоть до дневной поверхности. Значительные области массива вовлекаются в процессы формирования также и со стороны почвы очистной выработки. При разработке пластовых, осадочных месторождений горные породы, залегающие непосредственно над пластом полезного ископаемого, называют кровлей пласта (иногда крышей пласта). На крутых пластах (жилах, залежах) кровлю пласта называют висячим боком. По способности отслаивания при очистной выемке выделяют непосредственную и основную кровлю пласта, кроме того в составе непосредственной выделяют ложную кровлю пласта. Ложной кровлей называют легкообрушающийся слой пород незначительной мощности (0,5-0,6 м), залегающий непосредственно над пластом. Обычно ложная кровля обрушается при обнажении сразу или через небольшой промежуток времени. Непосредственной кровлей называется толща пород над ложной кровлей и угольным пластом, которая обрушается при небольших обнажениях на некотором расстоянии от забоя при удалении крепи. Основной кровлей называется толща горных пород, залегающая над непосредственной кровлей и сохраняющая устойчивость при обнажении кровли на большей площади. Породы основной кровли обрушаются с отставанием во времени от обрушения непосредственной кровли после их обнажения на очень большой площади (рис. 5.4)  Рис. 5.4. Проявление горного давления при очистной выемке угля: а – без поддержания; б – с поддержанием выработанного пространства; 1 – пласт; 2 – эпюра горного давления; 3 – основная кровля; 4 – обрушение кровли; 5 – поддержание кровли; 6 – посадочная крепь; 7 – отжим угля Обрушение – это сдвижение горных пород, покрывающих пласт полезного ископаемого или вмещающих рудное тело, сопровождающееся их вывалом в подземную горную выработку. Происходит самопроизвольно под действием напряжений, превышающих прочность горных пород. Проявляется в отделении от массива блоков, глыб и кусков, а при большой подработанности обрушение всей налегающей толщи массива, сопровождающееся воздушной ударной волной, разрушением выработок и др. Обрушению кровли обычно предшествует треск ломающихся пород и крепи вызываемый постепенно нарастающим давлением. За несколько секунд до обрушения от кровли пласта начинают отскакивать мелкие кусочки породы. При пересечении трещин, возникающих от продвижек пород, с кливажными и другими трещинами в кровле образуются отдельные глыбы, куски, отделяющиеся от остального массива и вываливающиеся в выработку. Это явление локальных обрушений пород носит название куполообразования, или куполения кровли. Аналогично подразделению пород кровли выделяют также непосредственную и основную почву. Н е п о с р е д с т в е н н а я п о ч в а – слой пород, залегающий непосредственно под пластом или залежью. С ее свойствами связаны явления пучения, сползания при крутом падении и вдавливания к нее целиков или крепи. Часто в пределах непосредственной почвы выделяют ложную почву – слой легкообрушающейся породы мощностью до 0,3-0,4 м на контакте с пластом или залежью. Толщу пород, залегающую ниже непосредственной почвы, называют о с н о в н о й п о ч в о й. В подземных очистных выработках больших размеров горное давление обычно называют опорным давлением. По степени и характеру процессов деформирования и перемещения пород в пределах влияния очистной выработки в массиве могут быть выделены несколько различных зон: зона обрушений, зона трещин, зона плавного прогиба, зона сдвижения (рис. 5.5.)  Рис. 5.5. Зоны напряженно-деформированного состояния массива:1 – контур области влияния выработки, 2 – зона опорного давления, 3 – зона разгрузки, 4 – зона полных сдвижений, 5 – зона обрушения, 6 – защищенная зона, 7 – эпюры опорного давления на различных расстояниях от очистной выработки в массиве пород. С точки зрения напряженного состояния в массиве пород вокруг очистной выработки выделяют две характерные зоны: зону разгрузки и зону опорного давления. 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, как границы очистной выработки так и выделенные зоны находятся в непрерывном движении, так что породы массива, претерпевая изменения состояния, постепенно переходят из одной зоны в другую. Так, 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. 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. Ширина зоны опорного давления  где  – ширина пролета выработки, м, коэффициент влияния ширины выработки, при 30-3 м,  коэффициент влияния свойств пород,  ; коэффициент влияния глубины разработки, при глубинах 300-600 м  , затем увеличивается.На рис. 5.6 приведены зависимости ширины зоны опорного давления от глубины заложения очистной выработки и мощности пласта в условиях угольных месторождений. .  Рис. 5.6. Зависимости ширины Lоп зоны опорного давления от глубины заложения очистных выработок Н и от мощности пласта m До недавнего времени зоны опорного давления определяли без вычисления компонентов напряжений  и  , принимались следующие положения.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. 5.7).  Рис. 5.7. Эпюра напряжений в зоне опорного давления при разрушении пород на контуре очистной выработки 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 двум  пяти мощностям пласта и равен чаще всего (2 3)  .При креплении очистных выработок можно выделить два класса крепи – индивидуальную и передвижную крепи. Индивидуальная крепь подразделяется на призабойную и специальную (посадочную). К передвижной крепи относится гидрофицированная крепь механизированных комплексов. В зависимости орт характера взаимодействия с боковыми породами механизированную передвижную крепь (рис. 5.8) подразделяют: – на поддерживающую крепь, основной функцией которой является поддержание боковых пород в призабойном пространстве, вспомогательной функцией – ограждение призабойного пространства от проникновения в него обрушенных пород; –оградительно-поддерживающую крепь, основными функциями которой являются ограждение призабойного пространства и поддержание боковых пород; – оградительную крепь, функцией которой является только ограждение призабойного пространства.  Рис. 5.8. Схемы механизированной крепи: а – поддерживающей; б - оградительной Призабойная крепь может быть деревянной и металлической. Применение деревянной крепи связано с большим расходом леса. Тем не менее рамы, устанавливаемые по падению, обычно состоят из деревянных элементов. Стойки делают из круглого леса диаметром до 20-25 см и длиной, соответствующей мощности пласта без толщи верхняка. В качестве верхняков используют распилы длиной до 2-3 м. Укладывают их плоской стороной к кровле. Деревянная крепь применяется в качестве вспомогательной. Основным типом индивидуальной крепи являются гидравлические металлические стойки. Механизированная крепь состоит из отдельных секций, каждая из которых имеет основание, гидравлические стойки, верхняк и гидравлический домкрат для передвижения секции по мере продвижения забоя. Призабойные секции горной крепи – секции механизированной крепи очистных выработок, выполняющие функции призабойной крепи. Посадочная горная крепь (специальная) – крепь очистных выработок, устанавливаемая на границе с погашаемым выработанным пространством и служащая для управления обрушением или плавным опусканием кровли. Посадочная крепь, применяемая при управлении кровлей полным обрушением, иногда называется отрезной. В качестве посадочной применяют деревянную органную костровую кустовую крепь, посадочную секции механизированной крепи, металлические посадочные стойки. Эта крепь устанавливается параллельно линии забоя, на границе с погашаемым выработанным пространством, и передвигается по мере подвигания забоя. Шаг передвижки крепи зависит от ее конструкции, технологии выемки угля и свойств пород кровли. Шаг передвижки посадочных стоек типа ОКУ берется равным 1,5 – 2 м, шаг переноски органной крепи – в зависимости от шага обрушения кровли. Лекция 10 5.4. Напряжения при очистной выемке рудных месторождений Согласно «Правилам технической эксплуатации…» руды и породы в зависимости от площади обнажения разделяются. – весьма неустойчивые – исключающие разработку без крепления; – неустойчивые, допускающие обнажение без крепления до 10 м2, но требующие крепления при длительном стоянии; – средней устойчивости – допускающие обнажение без крепления до 100 м2, но требующие крепления при длительном стоянии; – устойчивые – допускающие обнажение без крепления до 600 м2, при длительном состоянии необходимо крепление только в отдельных ослабленных местах; – весьма устойчивые – допускающие обнажение без крепления до 1000 м2 и более, при длительном стоянии не требуют крепления. Устойчивость руды и пород определяют геологи на основе геологической характеристики массива (состава пород, их крепости и трещиноватости) с учетом практического опыта обнажения данных пород на данном месторождении в выработках, где ширина и длина обнажения соизмеримы (т. е. длина выработки превышает ее ширину не более чем в 2 раза). Для обеспечения устойчивости при очистной выемки необходимо в первую очередь выдерживать размеры обнажений кровли очистных выработок (камер) в допустимых пределах или при технологической необходимости оставлять целики. Способ поддержания очистного пространства (способ управления горным давлением) при разработке рудных- месторождений положен в основу классификации систем разработки. Системой разработки рудного месторождения или его части называют определенный порядок очистной выемки и ее технологию в сочетании с совокупностью конструктивных элементов выемочного участка (блока, камеры). В табл. 2 приведена наиболее обобщенная (III класса) классификация по способу поддержания очистного пространства при выемке руды. В класс I входят системы с естественным поддержанием очистного пространства, при которых породы, окружающее выработанное пространство, не обрушается, а очистная выемка включает только процессы отбойки, вторичного дробления и доставки руды. Класс II объединяет системы, при которых предусматривается обрушение руды и вмещающих пород (принудительное, с использованием ВВ или же самообрушение). Таблица 2 Классификация систем подземной разработки рудных месторождений
Класс III систем с искусственным поддержанием очистного пространства отличается от классов I и II тем, что кроме отбойки, вторичного дробления и доставки руды добавляется еще крепление или закладка выработанного пространства либо то и другое вместе. На рис. 5.9-5.12 приводятся примеры поддержания очистного пространства целиками, отбитой рудой, закладочным материалом (закладкой).  Рис. 5.9. Поддерживающие целики при пологом падении пластов: а – ленточные; б - столбчатые  Рис. 5.10. Поддерживающие целики при крутом падении пластов: 1 – камера; 2 – междуэтажный целик; 3 – междукамерные целики; 4 – основание камеры; 5 – потолочина (размеры в м, ориентировочно)  Рис. 5.11. Поддержание очистного пространства отбитой (замагазинированной) рудой:1 – отбитая руда; 2 - забой  Рис. 5.12. Поддержание очистного пространства закладкой: 1 – 6 технологические выработки и оборудование; 7 – закладка В зависимости от назначения и расположения целики делят на охранные, оставляемые для охраны от обрушения вскрывающих выработок и сооружений; междуэтажные, оставляемые над и под выработками основного горизонта; междукамерные, оставляемые между двумя соседними камерами; внутризабойные, оставляемые внутри очистного пространства камеры или выемочного участка. Междуэтажный целик состоит из потолочины камеры и днища камеры (надштрековый целик). Междублоковые (междукамерные) целики являются опорой обнаженных стенок и кровли очистного пространства. При разработке пологопадающих месторождений между камерами оставляют целики прямоугольной, круглой или овальной форм. |