книги / Сдвижение горных пород на рудных месторождениях

Устойчивость земной поверхности при разработке слепых изоли­ рованных залежей определяется применяемой системой разработки и зависит от многих гориогеологических факторов: прочностных

свойств пород,	мощности	рудного тела	т, размеров выработки
по падению и по простиранию соответственно L и п, глубины горных
работ II и угла падения рудного тела а.			также от интенсивности
Устойчивость	горных	пород зависит

и ориентировки трещиноватости. Поскольку методы количественной оценки трещиноватости разработаны недостаточно, учитывать ее можно косвенным образом через величины некоторых коэффициентов в эмпирических формулах, рекомендуемых для конкретных геологи­

	ческих	условий.
	На	рис. 62 показана схема па­
	раметров,		учитываемых при опре­					В том числе
	делении условий устойчивого со­							земная повер­
	стояния горных пород. Под послед­						Общее	хность дефор­
						Угол паде­		мировалась
	ним понимается полное отсутствие						число
						нии рудного	случаев
	сдвижения		земной	поверхности		тела а, град	подра­		из них
	или сдвижение, сопровождающееся						ботки	всего	с об­
									руше­
	деформациями, меньшими				крити­				нием
	ческих,	принятых при определе­
	нии углов		сдвижения	(см. гл. I).		0 -6 0	75	38	22
	Зависимость, позволяющая опреде­
						61—70	19	10	5
	лять условия устойчивого				состоя­	71—80	10	7	5
	ния земной поверхности, получена					81-90	16	14	9

на основании обобщения 120 слу­ чаев разработок слепых рудных залежей с различными углами

падения на месторождениях Урала, Казахстана, Сибири, Кривого Рога и др. (табл. 19).

В зависимости от соотношения перечисленных выше параметров земная поверхность не деформировалась или деформировалась в форме провалов, трещин или плавных сдвижений с деформациями большими критических. В 51 случае разработки слепых залежей деформаций не наблюдалось, в 69 — земная поверхность деформи­ ровалась, в том числе в 49 — в форме обрушения. В результате обоб­ щения этих данных получено условие, при выполнении которого земная поверхность не претерпевает деформаций, больших крити­ ческих:

Н > Н р		т м эг/		(18)
		IJ + П М Ч '
где II — глубина до верхней границы залежи;
Нр — расчетная предельная глубина до			верхней	границы за­
лежи, начиная с которой земная поверхность не претер­
пит критических	деформаций;		залежи	(см. рис. 62);
U — горизонтальная	проекция рудной

к — коэффициент, учитывающий крепость вмещающих пород.

Ориентировочное значение к в зависимости от коэффициента крепости пород по шкале М. М. Протодьяконова:

/	2—5	5—9	Более 9
к	1	0,9	0,8

Средняя эффективная (приведенная) мощность залежи опре­ деляется из выражения

Мэ= т (1 -А + А В ),

(19)

где А — коэффициент заполнения выработанного пространства за­ кладкой, равный отношению объема заложенных пустот

кобщему объему выработанного пространства;

В— коэффициент усадки закладки, получаемый как отношение

величины уменьшения высоты закладочного	массива
под влиянием сжимающих усилий к начальной величине
его.	по оси
Условие (18) получено следующим образом. На график,

абсцисс которого откладывались отношения H/L' (или Н/п при п > > / / ) , а по оси ординат Н/Мэ, были нанесены указанные выше случаи разработки слепых залежей. Принимая, что при полной подработке

{JJ Н и п > Н ) коэффициент безопасности по	аналогии с уголь­
ными месторождениями равен 300, на графике	получена прямая

линия, разграничивающая условия практически полной устойчи­ вости земной поверхности и ее деформирования. Аналогичное вы­ ражение этой граничной линии дает условие (18), что подробно опи­ сано в работе [5].

При выдержанных углах падения и мощности рудных залежей

в формулу вместо L' можно подставлять величину L cos	a - f лг sin а,
что облегчает решение таких задач, как, например,	определение

размеров выработанного пространства L, при которых земная поверх­ ность не деформируется. В тех случаях, когда L' > п, вместо L' при расчетах по формуле (18) следует подставлять величину (п + + L')/2.

Поскольку при вертикальном залегании и выдержанной мощ­ ности рудного тела L' = т?г, из формулы (18) следует, что сдвижение земной поверхности не проявляется, если глубина Н превосходит горизонтальную проекцию выработки L' = т в четыре раза. Однако при крутом залегании рудных тел (а > 7 0 °) имелось недостаточно данных наблюдений, подтверждающих устойчивое состояние зем­ ной поверхности (табл. 19), особенно при V ^ 0,25 Н и выдержан­ ных мощности и углах падения рудных тел. Поэтому для обеспече­ ния запаса надежности следует, даже при весьма крутых углах па­ дения, принимать при расчетах по формуле (18) угол падения а не более 75°.

Формула (18) вошла в Указания по охране сооружений для Зо­ лотушинского рудника [12] и во Временные правила [49]. Она мо­ жет применяться и на других месторождениях для решения некоторых

			Мощность	Горизон­
Месторождение (рудник, шахта),		Глубина		тальная
	Залежь		рудного		Породы
профильная линия, N? разреза		залегапил Н,	тела Мэ,	проекция		/	М
		м		V <п),
			м	м

Криворожское (им. Орджо­ никидзе), 38—46

Криворожское (нм. XXпартсъезда)

Балейское	(Балейский),
№ 15

Туимское (Княлых-Узепь), АБ

Уч-Очак (Такелн), II

Раздольннпскос (Раздольнпнекнн), П — И

Джеламбет (№ 6), № 5

Бестюбе («Западная»), № 9

Криворожское (им. Р. Люк­ сембург)

Криворожское («Южная»),• ось 60

Новая	240	11	60	Гндрогематптовые роговики			7	205
№ 76	200	20	30	Джеспилиты			И	95
№ 138	175	1,2	30	Конгломераты			7	82
Блок 10	75	6	10	Гранодиорнты, известняки,			10	32
				роговики
№ 21	45	2	11	Порфнриты, песчаники			10	33
—	100	1	60	Песчано-глтшнстые		сланцы	7	121
№ 43	110	1,5	71	То же			15	140
Жила	но	2	97	Туфопесчашнш			15	191
Южная № 1
№ 5	145	16	100	Мергель, роговики,		и дже­	13	300
				спилиты
1—2а	160	30	67	Гндрогематптовые роговики			8	236
				и	талькокарбонатныо
				сланцы

задач, связанных с проектированием мер охраны сооружений

испособов отработки месторождений, как, например:

1.Под охраняемым сооружением разведано новое слепое изо­ лированное рудное тело. Требуется установить необходимость оста­

вления предохранительного целика или возможность его выемки. 2. Проектируется отработка слепого рудного тела под охраняе­ мым объектом. На основе проекта и календарного плана горных работ путем вычисления предельного размера L (L') устанавли­ вается дата, после которой должна быть прекращена эксплуатация

данного объекта или приостановлена отработка рудного тела.

3. Путем расчетов установлено, что отработка рудного тела на всю мощность системами с полным обрушением вмещающих по­ род вызовет опасные деформации земной поверхности и охраняемого сооружения. Требуется запроектировать метод разработки, Поз­ воляющий сохранить эти сооружения. По известным параметрам / /, a, L определяется эффективная мощность Мэ, на основании которой устанавливается вынимаемая мощность или проектируется приме­ нение закладки с соответствующим коэффициентом усадки.

4. В предохранительном целике заключено рудное тело, кото­ рое необходимо частично отработать. Для решения этой задачи из формулы (18) находится предельный размер выработки L (или L'), при котором земная поверхность остается в устойчивом состоянии. На основании подобных расчетов была запроектирована и осуще­ ствлена частичная выемка целика на Артемовском золоторудном месторождении [8].

В табл. 20 приведено несколько примеров устойчивого состоя­ ния земной поверхности при разработке слепых изолированных за­ лежей. При Н > Нр деформации земной поверхности не превышают критических значений — первые пять случаев. Однако в последних пяти случаях даже при Н < Н р, т. е. когда согласно, расчету сле­ довало ожидать критических деформаций, они отсутствовали. Это указывает на то, что расчеты обладают известным запасом надеж-

ности. Коэффициент запаса, получаемый как отношение нЛ , изменяется от 1,21 до 2,1, составляя в среднем около 1,5.

§ 24. Условия, при которых происходит самообрушение земной поверхности

Разработка рудных залежей системами с обрушением руды и вме­ щающих пород при определенных условиях сопровождается обру­ шением земной поверхности в виде образования воронок и провалов. Как провалы, так и воронки обычно возникают внезапно, без види­ мых предупредительных признаков в виде трещин разрыва или осе­ даний и представляют поэтому большую опасность для людей и со­ оружений на земной поверхности. В дальнейшем изложении для крат­ кости там, где не сделано дополнительных пояснений, в понятии «провал» объединены как воронки, так и провалы. Нередко при раз­

работке одного и того же месторождения с мало изменяющимися гориогеологическими условиями (например, Золотушинское) обру­ шение земной поверхности проявляется как в виде воронок, так и в виде провалов.

Для обеспечения безопасности людей и сооружений, находя­ щихся на земной поверхности, необходимо производить ограждение опасных зон обрушения [49]. Для многих месторождений не разра­ ботаны рекомендации по установлению условий самообрушения земной поверхности над слепыми рудными залежами. В практике известны случаи, когда ограждались участки земной поверхности над слепыми залежами, не представлявшие опасности в отношении самообрушения, и наоборот, не ограждались опасные участки.

При определении условий возникновения провалов нужно раз­ личать следующие типичные условия:

1.Разработка мощной пластообразиой или линзообразной за­ лежи, имеющей выход под наносы и большие размеры по простира­ нию и по падению.

2.Разработка слепой изолированной залежи правильной формы, не имеющей пережимов или безрудных участков.

3.Разработка сближенных залежей и залежей, расчлененных пережимами и безрудиыми участками или залегающих в сильно на­ рушенном разрывными нарушениями массиве.

4.Разработка рудных тел, залегающих в слабых обводненных

песчано-глинистых породах.

В действующих нормативных документах по охране сооружений этих различий часто не делается. Образование провалов в условиях, указанных в пунктах 3 и 4, изучено хуже, чем в первых двух.

Для месторождений с неизученным характером процесса сдвиже­ ния [49] предельная глубина Нк, ниже которой отработка рудного тела не приводит к возникновению провалов в условиях, указанных в пунктах 1, 2, 3, принята равной его 15-кратной мощности. Воронки образуются при Нъ < Нк в местах, где развитие процесса сдвижения задержалось из-за оставления в выработанном пространстве целиков или из-за безрудных участков, а также при обрушениях междупластий сближенных залежей. Воронки обычно образуются лад грани­ цами целиков или безрудных участков.

Зона возможного образования провалов и воронок оконтуривается по точкам пересечения земной поверхности линиями, прове­ денными от контура выработанного пространства на глубине IIк — = 15 т под углами: со стороны падения залежи 85°, со стороны восстания Р х = ар т, по простиранию 85°.

Для некоторых месторождений установлены условия образова­ ния провалов, приведенные в I разделе, например, для Золотушин­ ского рудника.

При разработке слепых изолированных залежей, не имеющих пережимов и не расчлененных безрудиыми участками, на образо­ вание провалов существенное влияние оказывают размеры залежей. Поэтому иногда провалы не возникают при глубине IIк 15 т,

что освобождает в этих случаях от необходимости принятия спе­ циальных мер защиты сооружений. Такие залежи можно отрабаты­ вать под менее ответственными сооружениями, как, например, шоссейные дороги, линии электропередач и пр.

На основании обобщения 120 случаев разработки слепых рудных залежей в различных горногеологических условиях (кроме слабых обводненных песчано-глинистых пород) получено выражение, позво­ ляющее определять, будет или нет на земной поверхности провал:

	Н '^ Н р	,	m i 3L'	(20)
			7Л/э + 5 £ ' ’
где Н' — мощность	коренных	пород, равная		H —h;
h — мощность	наносов	и	выветрелых	пород, принимаемая

равной не менее 20 м при Н >>20 ль. Остальные обоз­ начения те же, что и в формуле (18).

При Н' < Нр на земной поверхности следует ожидать образо­ вание провала. Подлежащий ограждению участок земной поверх­ ности, в пределах которого возмояшо обрушение, определяется по точкам пересечения ее линиями, проведенными от границ выра­ ботанного пространства под углами 80°, так же как при построении на разрезах зоны опасных сдвижений. При больших размерах руд­ ной залежи построение зоны возможного образования провалов производится от контура выработанного пространства на глубине IIк = 1 5 т под углами, значения которых приведены выше.

Зависимости (20) и (18) получены аналогичными способами. При расчетах по формуле (20) остаются в силе дополнения и ре­ комендации, сделанные в предыдущем параграфе применительно к расчетам устойчивости земной поверхности по формуле (18). Пред­ ставления об углах падения залежей, опыт разработки которых ис­

пользован	для получения указанной зависимости, дает табл. 19.
В табл.	21 приведены примеры расчетов глубины Нр для некото­

рых случаев разработки слепых залежей. При расчетах мощность нано­ сов и выветрелых пород при Н > 20 м принималась не менее 20 м.

При	Н <	20 м к	расчету принималось фактическое				значение h.
В первых пяти случаях провалы возникли при IV <С Н'р,								получен-
ной	по формуле (20); отношение			J J *	__ J J	составило	в	среднем
				— ^	—
15%.	В	остальных	пяти случаях,	несмотря		на то, что		H' sç Црг

обрушения земной поверхности не было. Полученный по этим слу-

Н'

чаям коэффициент запаса, равный отношению-==2-, колеблется от 1

н

до 2,2, составляя в среднем около 1,5.

Как следует из данных табл. 21, в случаях № 4 и 6 расчетная глубина Нр оказалась равной фактической глубине Н '. Для подоб­ ных случаев, которые могут иногда встретиться, коэффициент за­ паса п = 1, что следует считать недостаточным. Увеличение запаса надежности для ответственных сооружений достигается путем при­ нятия коэффициента k = 1 (см. § 23).

JM»	Местороячдештс	Рудное	Мощность	Мощность	Мощность	Горизон­
	(рудник, шахта),		коренных		рудного	тальная	Породы	f	НР-
п /и	профильная линия	тело	пород Я ',	наносов Л,	тела М,	проекция L*,
				м					м
	(Ns разреза)		м		м	м

1	Криворожское,	№ 92	90	20	15	92
	(им. X X парт-
2	съезда)		80	20	30	40
	Бакальское
	(«Бакальчпк») ,111
3	Золотушинское	Основное	75	25	20	60
	(Золотушинскни),
4	4—6	Основное	65	20	10	92
	Золотушннское
	(Золотушннский)
5	№ 2	—	60	20	20	25
	(Левннский) № 2
6	Криворожское	1—2а	140	20	30	67
	(«Южная») ось 60
7	Маинское	XII	70	20	25	30
8	(«Майна»), IV		16	5	2,5	48
	Дегтярское
	(Дегтярский),
9	№ 15	№ 3	20	20	8	29
	Второе Совет­
10	ское	№ 12	5	10	1,0	16
	Балейское (Ба-
	лейский), № 15

Роговики	9	93
Порфириты,	8	105
кварцево-хлори­
товые сланцы	8	102
Кварцевые пор-
фирттты (эффу­
зивные)	8	65
То же
Сернцито-хлори­	4	80
товые сланцы	8	140
Гидрогематито-
вые и талько­
карбонатные
сланцы	13	78
Порфириты,
сланцы	4	20
Сернцитовые
сланцы
Известняки	7	44
Конгломераты	7	8

Пример. Разрабатывается слепая залежь средней мощностью т = 1 6 м, залегающая под углом падения а = 58° в породах туфогенно-осадочной толщи (/ = 7). Мощность наносов 14 лс, глубина распространения зоны выветривания неизвестна. Глубина залегания верхней границы очистных работ 76 .и. Размер залежи по падению L = 98 м, по простиранию 200 .it (рис. 63). Система раз­ работки слоевое обрушение. Над рудным телом проходят шоссейная дорога и местная линия электропередачи (ЛЭП). Эти объекты могут претерпевать зна­ чительные деформация, причем непоправимый ущерб будет нм нанесен лишь при образовании провалов и воронок. В данном случае необходимо ответить

на вопросы:

1. Возможна ли выемка всей залежи с сохранспнсм указанных объектов,

системами с обрушением руды и вмещающих пород.		Если полная		отработка
ЛЗП	2.
	залежи		невозможна,	то	как
	выгоднее		отрабатывать		за­
	лежь — сверху вниз,			оставляя
	во временном целике			ее ниж­
	нюю	часть или снизу вверх,

оставляя во временном целике ее верхнюю часть.

Поскольку мощность папосов 14 м < 20 .в, а мощность выветрелых пород неизвестна, глубина Я ' принимается рав­ ной 76—20 = 56 .к. Горизон­ тальная проекция

Z/' = 98 cos 58° +16 sin 58° = = 65 .и

Таким образом, / / ' < Яр, вследствие чего полная отра­ ботка залежи системами с об­ рушением приведет к образо­ ванию провала на земной по­ верхности.

При варианте отработки залежи сверху вниз допусти­ мая глубина разработки, счи­ тая от верхней границы за­ лежи, определится расстоянием по падешпо V из выражеппя

42 *16 (L cos 58° -I- 16 sin 58°) 56 = 0,9 -7-16 + 5 [L cos 58° + 1 6 sin 58°)

и составит примерно 10 м. Отработка залежи более чем на 10 м по падению сопряжена с опасностью обрушения. Очевидно, что если требуется продлить срок эксплуатации охраняемых объектов, то отрабатывать залежи сверху вниз нецелесообразно.

При варианте отработки снизу вверх можно определить размер Ь„ по вос­ станию залежи от ее нижней границы, до которого отработка не опасна для охраняемых сооружений. Для определения Z-2 выражаем величины Я и L' в фор­ муле (20) через L2, т, а и глубину разработки до нижней границы залежи от контакта наносов с коренными породами (155—20 = 135 .в, рис. 63). В соот­ ветствии с рис. 63 получаем

Я = 135—L2sin а и / / = L2 cos а-|—	.
sin а

После подстановки значений известных параметров в формулу (20) и преоб­ разований получаем уравнение

-|-62Z-2 —7300=0,

Отсюда Ln « 6 0 „н.

Таким образом, в данном случае отработка нижней части залежи допустима на протяжении 60 а в верхней части только на 10 .и.

Подобные расчеты позволяют выбрать рациональный порядок отработки залежи под охраняемыми объектами в случаях, когда необходимо продлить срок их эксплуатации. м

§ 25. Обрушение горных пород над слепыми залежами

Рудные месторождения, представленные отдельными сложными изолированными залежами с различным содержанием компонента, нередко разрабатываются выборочно, т. е. с отступлением от обыч­ ного, наиболее безопасного порядка отработки сверху вниз. При этом возникает необходимость решения ряда задач, связанных с безо­ пасностью ведения горных работ, обеспечением сохранности выше­ лежащих неотработанных залежей и действующих подготовитель­ ных выработок. Содержание подобных задач становится ясным из следующих примеров.

4.На некотором расстоянии над разрабатываемой залежью на­ ходится вторая залежь с менее цепными рудами, отработка которой по производственным соображениям переносится на более отдален­ ные сроки. Требуется установить возможность последующей безо­ пасной отработки второй залежи и соответственно классифициро­ вать находящиеся в ней запасы руды как неподработанные, подра­ ботанные или как потери. Критерии для подобной классификации

внормативных документах и технической литературе четко не опре­ делены.

2.Над разрабатываемой залежыо расположены действующие под­ готовительные выработки. Связанный с этим случаем комплекс вопро­ сов включает: определение степени опасности дальнейшей эксплуата­ ции выработок, разработку горных мероприятий (применение соответ­ ствующей системы разработки, например с закладкой выработан­ ного пространства, частичная отработка залежи и прочее), позволя­ ющих достигнуть требуемую степень их сохранности и т. п.

Решение перечисленных задач требует определения высоты ожи­

даемой	зоны	обрушения	и зоны трещин А*.
Под	в ы	с о г о й	з о н ы о б р у ш е п и я понимается рас­

стояние по вертикали от кровли выработки до вершины свода об­ рушения, в пределах которого породы потеряли связь с остальным массивом, отделились от него и переместились вниз в форме беспо­ рядочного обрушения. В ы с о т а з о н ы т р е щ и н определяется расстоянием от кровли выработки до границы распространения ви­ димых трещин. Во многих случаях четкие границы между этими

зонами не прослеживаются.	Конкретизируя понятия зон трещин
и обрушения применительно	к перечисленным выше практическим

задачам, необходимо подчеркнуть, что в зоне обрушения не допуска­ ется ведение горных работ и эксплуатация основных подготови­ тельных выработок, а запасы руд подлежат списанию. В зоне тре­

щин ухудшаются условия поддержания горных выработок,		а за­
пасы, хотя и считаются подработанными, могут быть	извлечены
при выполнении некоторых защитных мероприятий.	при	любом
Для неслоистых трещиноватых вмещающих пород

угле падения рудного тела, а также при разработке мощных круто­ падающих залежей системами с обрушением в слоистых трещинова­ тых или рассланцованных породах высоту зоны обрушения hx можно приближенно определять по формуле [11]

	=	(21)
где L — размер	залежи вкрест простирания;
п — размер	залежи по простиранию;
у — объемный вес пород;		залежи;
т — средняя нормальная вынимаемая мощность

Ки — сцепление массива; Ах — коэффициент, равный 0,9.

В случаях наклонного и крутого падения рудных тел (а > 3 0 ° ),

a также при сложных формах залегания к расчету вместо L прини­
мают V — величину горизонтальной проекции рудного тела на раз-
резе вкрест простирания. В этих случаях т =	£
	где S — площадь

рудного тела на разрезе вкрест простирания. Определять U и т следует на разрезах, в которых указанные параметры имеют макси­ мальные значения. Для получения верхней границы зоны обрушения

при а > 30° вычисленные значения hx откладывают по				вертикали
от верхней границы рудного тела, а		при а <	30° — от середины
выработки. При больших размерах залежей по			простиранию (и >
> 1,5L или	п^> 1,5U) для придания	расчетам	запаса	значение п
принимается	равным 1,5L или 1,5£/.	Следует заметить,		что высота

hx зависит главным образом от того из двух линейных параметров или V , который имеет меньшее численное значение.

Если залежь разрабатывают комбинированной системой, напри­ мер камеры — с закладкой, целики — с обрушением, или если при­ меняется частичная закладка выработанного пространства, то при рассчете вместо т принимают приведенную (эффективную) мощность Мэ (см. § 23).

Расчет высоты зоны трещин h2 производится также по формуле (21), но при коэффициенте А ъ = 1,4.

Исследования высоты зон обрушения и трещин для установления условий поддержания подготовительных выработок и возможности последующей отработки ранее подработанных запасов проводились ВНИМИ (А. Г. Акимов, Е. И. Кузнецова) на Советском золоторуд­ ном месторождении. В результате обобщения данных о состоянии подработанных откаточных выработок и наблюдений за их оседа­