10.5. Особенности напряжённо-деформированного состояния промежуточной толщи массива и опорных целиков в зоне влияния карьера.
Подземные опорные и потолочные целики при комбинированной разработке испытывают сложное напряженное состояние. Это состояние является интегральным результатом взаимодействия трех основных полей напряжений:
естественного;
обусловленного образованием карьерной выемки;
обусловленного сооружением подземных горных выработок.
Удовлетворительного аналитического решения задачи определения и прогноза параметров такого поля напряжений пока нет. Вследствие этого основными методами изучения закономерностей формирования и изменения характеристик этого интегрального поля напряжения и вызываемых им деформаций в массиве пород и находящихся в нем сооружений являются натурные наблюдения и измерения, а также лабораторные эксперименты, включая моделирование.
В результате исследований было установлено, что при ведении открытых горных работ происходит снятие напряжений с надработанного массива пород, вследствие чего происходит изгиб слоя в сторону выработанного пространства, т.е. в сторону карьера (рис. 10.6, а).
В
результате прогиба слоя в нем появляются
растягивающие напряжения,
при этом местоположение их максимальных
значений совпадает с местоположением
точек, имеющих максимальную кривизну.
При определенной
величине прогиба растягивающие
напряжения достигают предела
прочности пород на разрыв, и на верхней
и нижней
Рис. 10.6. Динамика изменения состояния промежуточного слоя массива пород между подземными и открытыми работами
а – деформации слоя под воздействием открытых горных работ; б - деформации слоя под воздействием подземных горных работ; в - деформации слоя под совместным воздействием открытых и подземных горных работ
------- - исходное положение слоя.
поверхностях слоя начинают проявляться поперечные трещины, глубина которых зависит от величины прогиба и размеров прогибающейся части слоя.
В дальнейшем под влиянием подземных горных работ происходит изменение напряженно-деформированного состояния подработанной толщи. По мере увеличения размеров горной выработки происходит прогиб и смещение подработанных слоев пород в сторону выработанного пространства, и слой подвергается деформациям изгиба подобно плите, защемленной по концам, испытывая при этом знакопеременные деформации.
Одновременно на верхней и нижней поверхностях слоя начинает меняться знак деформаций, т.е. положительная кривизна (выпуклость) меняется на отрицательную кривизну (вогнутость) и сжимающие напряжения меняются на растягивающие (рис. 10.6, б). При этом, поскольку меняется местоположение точек с максимальной кривизной, меняется и местоположение трещин, образуются новые трещины и частично закрываются старые трещины. Очень важно подчеркнуть, что при закрытии трещин сплошность слоя и сцепление пород не восстанавливается.
Отсюда суммарная глубина трещин на участках знакопеременных деформаций будет равна сумме глубин трещин, идущих от верхней и нижней поверхностей слоя.
Разность геологической мощности слоя и суммы глубин трещин, идущих от нижней и верхней поверхности слоя, образованных под влиянием открыто-подземного способа разработки позволяет определить мощность ненарушенного слоя и оценить степень его устойчивости.
При подземной разработке месторождения без обрушения налегающих пород под дном и в бортах карьера очистные камеры могут занимать различные положения относительно контуров карьера. Когда подземные горные работы получают максимальное развитие, а карьер развивается в зоне их влияния, особое внимание должно быть уделено состоянию и устойчивости подземных несущих конструкций, т. е. опорных и потолочных целиков, как наиболее слабому звену в рассматриваемой системе.
Основные особенности распределения напряжений в потолочных целиках над камерами в условиях влияния карьера рассмотрим на конкретном примере Губкинского ГОКа КМА по результатам исследований методами оптического и математического моделирования.
Губкинский ГОК проектировался для отработки железистых кварцитов открытым способом на Коробковском участке КМА. На этой же территории с 50-х г.г. прошлого столетия под мощным слоем кварцитов (70—100 м) подземным способом отрабатывался один этаж этажно-камерной системой разработки на глубинах 230—300 м. В пределах шахтного поля (4 х 1,5 км) в нескольких панелях по всей площади располагалось более 200 незаложенных камер с размерами: длина 55 м, ширина 35 м, высота 55 м. Минимальная мощность потолочного целика над камерами равнялась пролёту камер, т.е. 35 м. Предполагалось, что карьер и подземный рудник в течение значительного периода времени будут работать совместно. Принципиальная схема взаимного расположения камер и карьера приведена на рис.10.7.
Рис. 10.7. Принципиальная схема взаимного расположения камер и карьера (Губкинский ГОК, КМА).
Изолиниями показано распределение максимальных касательных напряжений.
Определение устойчивости целиков в зоне влияния откоса борта карьера для рассматриваемых условий приобретает особое значение, так как с этим связаны, в первую очередь, устойчивость борта карьера выше горизонта подземной разработки, выбор методов и последовательности ведения открытых горных работ.
При отсутствии открытой выемки и за пределами влияния борта карьера целики работают в режиме одноосного сжатия, методика расчета таких целиков достаточно известна (например, по методу Л.Д. Шевякова). По мере приближения к откосу условия нагружения целиков изменяются от режимов чистого сжатия к режиму сжатия со сдвигом. При этом в зоне влияния откоса устойчивость целиков будет определяться их прочностью на сдвиг, т.е. соотношением сдвигающих и удерживающих сил.
n = T/P. (10.8)
Сдвигающие силы по потенциальной поверхности разрушения целика в плоском сечении определяются значениями касательных напряжений и направлением их действия по отношению к вертикальной оси целика и будут равны сумме произведений τmах на длину участка потенциальной поверхности разрушения:
Т = Σ τmах Si. (10.9)
Удерживающие силы в принципе определяются вертикальной составляющей γН для каждого конкретного целика, но конкретно это выражается через значения нормальных напряжений, действующих перпендикулярно к потенциальной поверхности скольжения:
Р = Σ (σ‘n tgφ + C) Si. (10.10)
где σ‘n — составляющая нормальных напряжений, перпендикулярных к потенциальной поверхности скольжения; tgφ — коэффициент трения по этой же поверхности; С — сцепление.
Значения tgφ и С получают испытанием пород по соответствующим направлениям в лабораторных или натурных условиях.
При моделировании рассматриваемой горнотехнической ситуации установлено:
по мере увеличения глубины карьера устойчивость целиков в зоне влияния борта карьера снижается;
влияние глубины открытой разработки на междукамерные целики проявлялось в увеличении напряжений в целиках пропорционально глубине карьера;
в зоне влияния борта карьера изменяется характер работы целиков. Определяющими для устойчивости этих целиков будут не напряжения сжатия, а касательные напряжения, причем потенциальная поверхность разрушения в целиках практически параллельна откосу борта карьера;
в наибольшей степени влияние карьера сказывается на устойчивости первых трех, ближайших к откосу борта целиков;
устойчивость целиков возрастает по мере приближения к откосу;
увеличение размеров горизонтальной площадки над камерами незначительно снижает значения τmах в одноименных целиках, направление их действия практически не изменяется и, как следствие, при этом устойчивость целиков под бортом карьера повышается незначительно;
закладка камер, примыкающих к откосу борта карьера, является одним из возможных способов уменьшения нагрузки на целики. При этом в междукамерных целиках уменьшаются максимальные касательные напряжения и тем самым повышается устойчивость целиков;
с увеличением угла откоса борта карьера максимальные касательные напряжения увеличиваются, устойчивость целиков уменьшается. Влияние угла откоса в наибольшей степени сказывается на ближайшем к откосу целике.