68

Тема 5. Управление геомеханическими процессами при системах с естественным поддержанием выработанного пространства. 4 часа лекций + 4 часа лабораторных занятий.

Общие замечания. Определение размеров допустимых обнажений кровли очистных пространств. Поддержание выработанного пространства целиками. Формы целиков. Напряжённое состояние и несущая способность целиков в условиях режима заданной нагрузки. Несущая способность целиков в условиях упругого деформирования и хрупкого разрушения. Несущая способность целиков в условиях режима взаимовлияющих деформаций. Несущая способность целиков при их склонности к неупругому деформированию. Погашение целиков и ликвидация пустот. Правила безопасного ведения работ при системах разработки с открытым очистным пространством.

5.1. Общие замечания.

В этой группе систем разработки поддержание очистного пространства осуществляется за счет естественной устойчивости обнажений массивов полезного ископаемого и вмещающих пород.

При этом к устойчивым породам обычно относят такие породы, площадь обнажения которых может достигать 6ОО м² без видимых нарушений, а к весьма устойчивым породам - до 1000 м² и более. Необходимо отметить, что этими критериями можно пользоваться лишь для весьма приближённых оценок, поскольку устойчивость обнажений пород, строго говоря, не характеризуется только площадью обнажений, но ещё сильно зависит от конфигурации обнажения.

Управление геомеханическими процессами в этих системах осуществляется поддержанием открытого выработанного пространства и налегающей толщи (часто, до поверхности) целиками, оставляемыми в выработанном пространстве на длительный срок.

Основные расчётные параметры: – пролеты очистных камер, сетка оставления целиков, размеры целиков (ширина или диаметр), при этом должны быть обеспечены:

• устойчивость всех элементов системы разработки – очистных камер и целиков;

• безопасность горных работ в открытом выработанном пространстве;

• условия для эффективного применения высокопроизводительного самоходного добычного оборудования;

• минимальные потери и разубоживание руды.

Вообще под устойчивым состоянием понимают такое состояние какого-либо элемента системы, когда без дополнительных мероприятий обеспечивается безопасность работающих людей и нормально выполняется технологический цикл.

На основе общих представлений механики устойчивость какой-либо системы может быть охарактеризована условиями, обеспечивающими сохранение ее состояния в течение заданного времени. Применительно к вопросам разработки месторождений полезных ископаемых устойчивость элементов систем разработки можно определить как способность сохранения ими, во-первых, формы и, во-вторых, размеров, обеспечивающих их эксплуатацию в течение необходимого периода.

Очевидно, в такой постановке вопроса устойчивое состояние любых элементов системы разработки определяется соотношением действующих в массиве пород напряжений и деформационно-прочностных свойств пород, слагающих рассматриваемый элемент. Существенно зависит состояние элементов и от ряда технологических факторов: взрывных работ; размеров шахтного поля или добычного участка (панели, блока и т.п.); способа погашения ранее отработанных очистных пространств и др.

Если конкретно говорить об обнажениях пород (в кровле или боках очистной выработки), то, очевидно, что для каждого сочетания горно-геологических условий (в конечном счёте, сочетания действующих напряжений и деформационно-прочностных свойств массива) существуют определенные (критические) размеры обнажений пород в выработках, при превышении которых выработки приходят в неустойчивое состояние и их эксплуатация становится небезопасной. Отсюда необходимо, чтобы параметры элементов систем разработки, в частности, обнажения пород, не превышали критических размеров для действующего в них уровня напряжений, либо необходимо упрочнять эти элементы, применяя различные технологические приёмы.

При системах с естественным поддержанием выработанного пространства с целью регулирования размеров обнажений пород 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 на участке, горизонте, 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.

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.

При системах рассматриваемого класса «связка» взаимообусловленных элементов состоит из почвы очистной выработки — целика — кровли очистной выработки — толщи вышележащих пород — дневной поверхности.

В данной теме рассмотрим вопросы естественного поддержания выработанного пространства в случаях, когда лимитирующими элементами являются кровля очистных выработок и опорные целики.

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.