10.2. Особенности геомеханических задач при комбинированной разработке месторождений.

При комбинированной разработке возникает ряд специфических геомеханических задач. Приведем основные из них:

1. Определение размеров допустимых горизонтальных и вертикальных обнажений пород, поскольку от этого зависит установление безопасных параметров и режимов работы карьерного оборудования над пустотами. Важно также знать допустимые вертикальные обнажения пород в пустотах, выходящих на уступы карьера.

2. Определение размеров опорных целиков при проведении подземных разработок под дном и в бортах действующего карьера. Напряженно-деформированное состояние опорных целиков в зоне влияния карьера будет отличным от состояния аналогичных целиков вне зоны карьера. Условия прочности и устойчивости их будут в отдельных случаях совершенно иными. Все это обусловливает самостоятельную, отличную от распространенных, методику определения их размеров.

3. Определение размеров барьерных целиков. Назначение барьерных целиков при совместной разработке месторождений разнообразно, и функции их неравнозначны. Они могут быть оставлены для изоляции подземных горных выработок от карьера, локализации в определенном объёме и развитии в определённом направлении процессов сдвижения горных пород, изоляции затопленных участков и т.п. В каждом случае требуется найти минимальные размеры, оптимальную форму и место расположения барьерного целика, обеспечивающие и назначение его, и наименьшие потери полезного ископаемого.

4. Установление наиболее рациональных порядков ведения подземных горных работ и схем развития карьера.

Известно, что устойчивость подрабатываемого борта карьера зависит не только от абсолютных величин подработки (размеров, глубины и размещения в откосе подземных выработок), но и от направления развития фронта подземных работ: от откоса, к откосу, параллельно ему, нисходящая или восходящая отработка и т.д.

Для достижения наиболее рациональных геомеханических режимов существенно, как будут развиваться горные работы в карьере относительно подземных выработок.

5. Изучение напряженного состояния подработанных бортов карьеров. Напряженное состояние подработанного борта карьера зависит от множества факторов, в том числе от размеров и количества подземных выработок, их положения относительно откоса борта, динамики горных работ. При наличии осложняющих геологических и гидрогеологических факторов эта задача становится исключительно трудной.

6. Выбор способов погашения подземных пустот для обеспечения безопасности карьерных работ. Каждый из способов (закладка пустот, обрушение окружающих пород, изоляция) вызывает различный геомеханический эффект в окружающем массиве горных пород. Все это исключительно важно как для решения локальных задач (устойчивость опорных целиков или потолочин, устойчивость уступов, транспортных берм и т.д.), так и в масштабах месторождения в целом (устойчивость откоса борта карьера, развития сдвижения или обрушение пород в больших масштабах).

7. Изучение особенностей развития деформаций подработанных бортов и берм карьеров. Даже у неподработанных карьеров деформация бортов развивается различно, в зависимости от условий залегания пород и силовой обстановки. Тем не менее, основные закономерности развития этих деформаций известны, и чаще всего их можно прогнозировать с достаточной для технических целей точностью. Вместе с тем, наличие в борту или под дном карьера комплекса развивающихся подземных выработок существенно усложняет эти закономерности.

8. Изучение влияния откоса борта карьера на напряжённо-деформированное состояние опорных, барьерных и потолочных целиков. Характер нагружения всех видов подземных целиков в зоне влияния откоса борта карьера меняется. Изменяются величины и соотношения нормальных и касательных напряжений, а также их вклад в процесс потери устойчивости и прочности целиков. Вместе с этим появляются и возможности управления напряженно деформированным состоянием целиков.

9. Изучение особенностей развития процессов сдвижения и обрушения пород, в том числе, воронкообразования, в бортах карьеров в результате подземных разработок. Решение этой задачи весьма сложно (особенно для скальных пород) и важно в условиях совместной разработки, когда зоны сдвижения и обрушения пород выходят на поверхность непосредственно на участках действующего карьера.

10. Изучение влияния массовых взрывов в карьере на устойчивость целиков и потолочин подземных камер. Для отбойки горной массы на уступах карьера применяются весьма мощные взрывы, при которых часто используются десятки и сотни тонн взрывчатых веществ за один раз. Достаточно сильные взрывы производятся и для погашения пустот при подходе к ним уступов карьера. В результате этого подземные целики и потолочины испытывают многократное динамическое (сейсмическое и ударное) силовое воздействие, ослабляющее их и, в конечном итоге, приводящее к потере устойчивости и разрушению. Преждевременный выход из строя целиков может помимо аварий серьезно нарушить технологический ритм открытых и подземных работ.

11. Изучение влияния подземных массовых взрывов на устойчивость уступов и откосов бортов карьера. Аналогично предыдущему взрывы большого количества взрывчатых веществ в подземных выработках могут существенно ослабить не только отдельные уступы, но и участки борта в целом. В совокупности с другими факторами это может послужить причиной обрушений и оползней в карьере.

12. Комплекс гидромеханических задач. Многие месторождения обводнены или залегают под комплексом осадочных обводненных пород. Глубокое водопонижение, вызываемое подземными выработками, может различно сказываться на устойчивости и деформируемости верхних комплексов пород. При правильном сочетании открытых и подземных работ может быть получен существенный положительный эффект.

При повторной разработке месторождений задачи в области геомеханики во многом аналогичны задачам комбинированного способа, но есть и специфические задачи.

Если повторная разработка заключается в проведении открытых работ на участке ранее выполняемых подземных разработок (см. рис. 10.1, схема 3), то ситуация характеризуется динамичностью открытых горных работ и статичностью подземных. При этом может возникнуть необходимость в решении комплекса геомеханических задач.

1. Комплексное изучение инженерно-геологического и горнотехнического состояния пород и выработок на участке влияния первичной (в данном случае — подземной) разработки. Первоначальные состояния и свойства массива пород существенно изменяются после первичной разработки к моменту повторных горных работ. В отдельных случаях выполняется практически заново весь комплекс инженерно-геологических изысканий с последующим определением всех необходимых характеристик не только пород, но и массива закладки, обрушенных масс (если они имеются). В равной степени важно знать горнотехническую обстановку предшествующих работ: расположение, форму, размеры, состояние горных выработок и т.д.

2. Оценка устойчивости обнажений пород в подземных горных выработках. Особенность повторной разработки участка старых подземных работ заключается в том, что участвующие в последующих геомеханических процессах элементы подземной части общего комплекса уже заданы. Поэтому возникает задача оценки состояния и свойств элементов подземного рудника, наиболее важными среди которых можно считать оценку устойчивости обнажений горных пород и несущей способности опорных целиков и потолочин камер (первичной разработки).

4. Оценка существующих и определение размеров новых барьерных целиков. Сложность проектирования целиков в этом случае существенно выше, так как не всегда удается получить достоверные сведения свойствах и состоянии изолируемой части массива и старых подземных выработок.

5. Выбор способов погашения пустот. Задача отличается от аналогичной при совместной разработке месторождений тем, что со стороны подземных выработок доступ к пустоте может быть ограничен или полностью отсутствовать. Это создает серьезные затруднения для контроля за полнотой погашения пустоты. Вместе с тем, могут быть ограничены возможности для качественного погашения пустот и контроля за их состоянием и со стороны карьера.

Если повторная разработка предусматривает проведение подземных работ (рис. 10.1, схема 2), то эта схема представляет собой наиболее сложный вариант подземных работ, особенно, если предшествующие горные работы выполнялись много лет назад. При этом может возникнуть множество задач.

1. Выбор способа управления горным давлением, т. е. системы разработки (с обрушением, закладкой, с поддержанием очистных камер и т.д.). При этом, кроме общеизвестных факторов, необходимо учитывать состояние уже нарушенного горными работами массива, а также прогнозировать возможное его поведение при повторной подработке.

2. Изучение влияния ранее отработанных участков на напряженно-деформированное состояние пород при повторной разработке. Как на ранее отработанных участках, так и в близлежащем массиве пород первоначальное поле напряжений существенно искажается, происходят существенные деформации, а местами и разрушение пород. Все это, несомненно, влияет на формирование напряжений и развитие деформаций пород в зоне повторных горных работ.

3. Изучение состояния и свойств подработанного массива пород с целью проведения в нем горных выработок. Исходя из её решения, формулируются условия и способы проходки, вид крепи и требования к ней.

4. Изучение характеристик процесса вторичного сдвижения массива подработанных горных пород. Поскольку изменились условия, сдвижение горных пород при повторной подработке одного и того же участка должно измениться.

Решение некоторых из указанных задач рассмотрим детально.