Лекция 16
1 час
УСТОЙЧИВОСТЬ ЦЕЛИКОВ И ОБНАЖЕНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД.
16.1. Основные принципы определения размеров устойчивых целиков и обнажений пород в очистных выработках.
На основе общих представлений механики устойчивость какой-либо системы может быть охарактеризована условиями, обеспечивающими сохранение ее состояния в течение заданного времени. Применительно к горным выработкам устойчивость можно определить как способность сохранения, во-первых, формы и, во-вторых, размеров выработки, обеспечивающих ее эксплуатацию в течение необходимого периода.
Для каждого сочетания горно-геологических условий существуют определенные (критические) размеры обнажений пород в выработках, при превышении которых выработки приходят в неустойчивое состояние и их эксплуатация становится небезопасной.
С целью регулирования размеров обнажений пород в выработанных пространствах часто оставляют целики, т. е. нетронутые участки рудного тела, пласта или вмещающих пород. При этом в зависимости от применяемой технологии целики или извлекают после отработки основной части полезного ископаемого, или же оставляют в недрах, что, естественно, приводит к увеличению потерь полезных ископаемых. Извлечение целиков, как правило, сопровождается трудностями в организации и обеспечении работ, а иногда требует применения специфических систем разработки.
Назначением целиков является предотвращение развития недопустимых деформаций в массиве окружающих пород и предотвращение увеличения размеров зон разрушения. В зависимости от того, для охраны каких объектов они предназначены и каковы сроки их существования, целики подразделяют на несколько видов.
Целики, предназначенные для охраны сооружений поверхностного комплекса шахт и рудников от вредного влияния очистных работ, называют предохранительными, срок их службы составляет обычно несколько десятилетий и часто совпадает с общим сроком эксплуатации горнорудного предприятия.
Для охраны капитальных вскрывающих выработок (стволов, штолен, штреков или квершлагов) оставляют соответствующие охранные целики (околоствольные, околоштольневые и т. д.). Срок их службы также весьма длителен и, как и в первом случае, может достигать нескольких десятков лет.
Для поддержания очистных пространств, предохранения подготовительных выработок, а также для исключения влияния очистных работ на соседних участках оставляют временные целики. Это наиболее массовый вид целиков, срок их существования обычно составляет несколько лет, т. е. соизмерим с периодом отработки отдельных участков, блоков или камер.
В случаях, если оставляют целики излишне больших размеров, это приводит к неоправданным потерям, если же размеры целиков недостаточны, то происходит их разрушение, которое влечет за собой перераспределение напряжений в окружающем массиве пород, часто в обширных областях. При этом разрушение целиков на одном участке может вызвать лавинообразное разрушение целиков на соседних участках. С этой точки зрения оставление недостаточных по размерам целиков может приводить к гораздо большим трудностям, нежели ведение работ вообще без оставления целиков.
Все многообразие пространственных схем расположения целиков, встречающихся при разработке пластовых и рудных месторождений, может быть сведено к следующим основным случаям:
а) неограниченная периодическая последовательность одинаковых по своим размерам и формам междукамерных, околоштрековых и других целиков;
б) неограниченная периодическая последовательность целиков различных размеров и формы;
в) бессистемное расположение целиков различных размеров и конфигурации;
г) одиночные целики различных параметров.
При этом по конфигурации горизонтальных сечений различают целики ленточные и столбчатые (рис. 16.1).
С точки зрения геомеханики условия работы этих целиков различны:
- ленточные целики находятся в условиях плоской деформации;
- столбчатые целики - в условиях одноосного напряжённого состояния.
Рис. 16.1. Схемы поддержания очистных пространств с помощью ленточных (а) и столбчатых (б) целиков.
Поскольку выработанное пространство и целики образуют единую систему в массиве горных пород, их оптимальные параметры во всех случаях должны быть взаимосвязаны и взаимообусловлены. Вместе с тем, с параметрами выработанных пространств и целиков непосредственно связаны размеры областей массива пород, которые вовлекаются в процесс деформирования при разработке месторождений полезных ископаемых. Поэтому для обоснованного определения оптимальных параметров систем разработки, в том числе размеров очистных выработок и целиков, в общем случае необходимо рассматривать напряженно-деформированное состояние всей системы дневная поверхность —толща вышележащих пород —кровля очистной выработки—целик — почва очистной выработки.
В принципе, наилучшим способом исследования подобных систем являются аналитические методы и методы математического моделирования. При этом возможна оценка как состояния всей системы в целом, так и отдельных её элементов, практически, с любой степенью детальности.
Однако в практике горных работ весьма часто возникают потребности оценить состояние и выбрать оптимальные параметры каких-либо локальных элементов, не прибегая к исследованию всей указанной взаимосвязанной системы. Для подобных случаев весьма широко применяется подход, когда в каждом конкретном случае стремятся выявить наиболее слабое звено—лимитирующий элемент, устойчивое состояние которого предопределяет состояние всех остальных звеньев, и исходя из параметров этого элемента устанавливают остальные параметры элементов всей системы разработки.
Часто подобными лимитирующими элементами является кровля камер или целики, реже — почва выработок. Для последнего случая характерны явления вдавливания целиков в почву, в результате чего происходили завалы выработок на больших площадях.
Лимитирующим элементом может быть вышележащая толща пород. Это характерно для условий применения комбинированных систем разработки рудных тел открытым и подземным способом, а также для условий добычи легкорастворимых полезных ископаемых (например, солей) и при ведении горных работ под водоемами, когда необходимо обеспечивать устойчивость пород во избежание трещин, провалов, прорывов воды и пр.
Наконец, лимитирующим элементом может являться и дневная поверхность в случаях, когда необходимо обеспечить устойчивость наземных зданий и сооружений.
Большое влияние на характер деформирования отдельных элементов и в целом всей указанной системы оказывают соотношения деформационно-прочностных свойств пород, слагающих целики, кровлю и почву очистных выработок, а также вышележащую толщу. Весьма существенны также характер и свойства контактов целиков с кровлей и почвой выработок.
В данной лекции рассмотрим наиболее массовые случаи практики горных работ, когда лимитирующими элементами являются кровля очистных выработок и целики. Методы определения параметров предохранительных и охранных целиков, когда лимитирующими элементами являются вышележащая толща пород и дневная поверхность будут освещены позже, при рассмотрении вопросов сдвижения горных пород при разработке месторождений.
Для расчета оптимальных параметров очистных выработок и целиков необходимо:
а) установить характеристики нагрузок (величины напряжений в массиве пород), действующих на элементы системы разработки, размеры которых подлежат определению;
б) на основании характеристик напряженно-деформированного состояния и сравнения их с деформационно-прочностными параметрами пород, слагающих кровлю и целики, оценить несущую способность и устойчивость этих элементов.
Первый пункт указанной последовательности операций может быть выполнен с привлечением различных методов (теоретических и экспериментальных), о которых речь шла выше. Он является необходимым при оценке несущей способности целиков и обнажений пород, но принципиальных отличий от методов определения напряженного состояния массива пород вокруг выработок не имеет. Второй пункт составляет сущность расчета оптимальных параметров целиков и обнажений пород в очистных выработках. Он в обязательном порядке включает проверку указанных элементов систем разработки на прочность и устойчивость.