6.3. Особенности развития геомеханических процессов при закладке камер сухой или гидравлической закладкой.

Поскольку предполагается, что к закладочному массиву из несвязной закладки не предъявляются требований выдерживать какие-либо внешние нагрузки, каких-либо предрасчетов их свойств, как правило, не требуется. Однако если всё же возникает необходимость в увеличении плотности массива закладки, то применяют специальные меры при её укладке. Так как плотность несвязной (в частности, сухой) закладки определяется, главным образом, гранулометрическим составом, его необходимо подбирать исходя из принципа максимально плотной упаковки разновеликих частиц. С учётом указанного требования оптимальный гранулометрический состав закладки может быть рассчитан по специальным формулам.

Из практического опыта известно, что смесь из дробленой породы и хвостов обогащения в соотношении 1:1 достаточно хорошо отвечает условию максимальной упаковки частиц. Что касается повышения скорости усадки и увеличения плотности закладки, то с этой целью можно при ее укладке в камеру добавлять некоторое количество воды или, как было сказано ранее, использовать энергию взрыва.

Однако массив закладочного материала, размещенный в отработанной камере, оказывает распорное действие на стенки междукамерных целиков и таким образом влияет на их геомеханическое состояние.

Отсюда управление геомеханическими процессами в случае применения несвязной (сухой или гидравлической) породной закладки может осуществляться путём учёта влияния закладки камер на состояние междукамерных целиков и регулирования взаимодействия закладки с массивом пород целиков.

В соответствии с этим рассмотрим механизм взаимодействия несвязной закладки (сухой или гидравлической) с рудными целиками. В общем случае при осевом сжатии в междукамерном целике возникают напряжения сжатия (по направлению вертикальной оси), а в направлении горизонтальных осей - деформации растяжения.

Если применяются системы с закладкой камер, то в принципе возможны две различных схемы (стадии) взаимодействия массивов междукамерного целика и закладки:

• целик находится между заложенной и незаложенной (пустой) камерами, т. е. под односторонним боковым давлением;

• целик с обеих сторон граничит с заложенными камерами, т. е. под двусторонним силовым воздействием.

В первом случае междукамерный целик, испытывая одностороннее боковое давление, подвергается дополнительным изгибающим усилиям, что отрицательно влияет на его устойчивость. Для данного случая разработаны расчётные схемы оценки устойчивости целиков, в которых целик рассматривается как прямоугольная плита, шарнирно опирающаяся по контуру, сжатая в двух направлениях усилиями Р_X и Р_Z и подверженная действию односторонней поперечной нагрузки q (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Схема к расчету напряжений при одностороннем воздействии закладки на целик

Решая дифференциальное уравнение изогнутой поверхности плиты, получают уравнение прогибов, используя которое определяют наибольшие изгибающие моменты и максимальные нормальные напряжения. По этим значениям вычисляют величину допустимого бокового давления закладки на целик.

Во втором случае учитывается эффект возрастания (и достаточно резкого) сопротивления разрушению горных пород по мере перехода от одноосного напряжённого состояния к двухосному и далее к объёмному состоянию. На рис. 6.2 приведён типичный график зависимости предела прочности пород [σ_сж] от величины бокового давления σ_х.

Рис. 6.2. Типичный график зависимости предела прочности пород [σ_сж] от величины бокового давления σ_х.

Этот же эффект наблюдается и при деформировании и разрушении междукамерных целиков, когда они испытывают дополнительные боковые давления от несвязной закладки, заполняющей камеры.

Начало разрушения целика при незаложенных камерах можно выразить через предел прочности целика на одноосное сжатие в направлении вертикальной оси Z. Но если закладка оказывает давление на боковые стенки целика, то потребуется дополнительное осевое давление, необходимое для разрушения целика.

Таким образом, если обозначить предел прочности целика осевому сжатию при незаполненных камерах через [σ_сж], то условие прочности целика при заложенных камерах выразится:

[σ_сж]_К ≤ [σ_сж] + Δσ_Z , (6.1)

где [σ_сж]_К – предел прочности целика при заложенных камерах; Δσ_Z — дополнительное осевое давление на целик в связи с влиянием закладки.

Определить Δσ_Z в формуле (6.1) можно по-разному, например испытанием образцов пород (руд) на сжатие при различных значениях бокового давления.

Другим возможным путем может быть построение паспортов прочности пород целика для условий одноосного и объемного сжатия (создаваемого действием закладки). Используя этот метод, можно получить соотношение прочностей целика при указанных напряженных состояниях. Так, в работе [Бронников Д.М., Богданов Г.И. О технологических схемах рудника будущего//Тез. Докл. Всесоюз. Науч.-техн. Конф. – М.:Недра,1979] это соотношение получено в виде:

1+sinφ

Δσ_Z = σ_у -----------, (6.2)

1-sinφ

где σ_у — горизонтальная составляющая реакции массива закладки на целик; φ — угол внутреннего трения пород целика.

Значения σ_у при этом можно определить по зависимости:

σ_у = γ b√k ζ (1 – e^h/b), (6.3)

где γ – плотность закладки; b и h – ширина и высота камеры, k – коэффициент шероховатости стенки целика; ζ – коэффициент бокового распора закладки.

Многочисленными исследованиями доказано, что в самых благоприятных случаях сухая закладка камер повышает прочность материала целика до 10-20%, а гидравлическая – до 40-50%.

В инженерных расчётах нагрузок на междукамерные целики при заполнении отработанных камер закладкой можно использовать следующие формулы:

Коэффициент упрочнения целиков закладкой. Заполнение отработанных камер закладочным материалом изменяет условия работы междукамерных целиков под нагрузкой, увеличивая их прочность и несущую способность. Влияние закладки в камерах учитывается введением в условие прочности целика коэффициента упрочнения пород, слагающих целик, К_у:

σ_сж = К_у σ_сж⁰,

где σ_сж⁰ – прочность пород при сжатии в образце.

Коэффициент упрочнения целиков закладкой можно принимать по следующим данным (табл. 6.2):

Коэффициент упрочнения целиков закладкой

Таблица 6.2.

h/a	1.0	2.0	2.5
Ку	1.4	1.5-1.6	1.6-1.7

h/a – отношение высоты целика к ширине

Таким образом, закладка оказывает большее влияние на узкие целики и при этом степень ее воздействия тем больше, чем больше высота целика по сравнению с его шириной. На устойчивость целиков с соотношением размеров h<а закладка практически не влияет.

Также проведение закладочных работ отражается на общем напряжённом состоянии массива пород и, в частности, на интенсивности сейсмических процессов. Наиболее явное проявление в сейсмической активности имеет гидрозакладка. По наблюдениям на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей сразу после заполнения камер раствором сейсмическая активность увеличивается, затем постепенно, в течение нескольких месяцев, по мере затвердевания раствора затухает и примерно через год прекращается.