книги / Основы механики горных пород

Рис. 86. Эпюра напряжений

в зоне опорного давления при разрушении пород на контуре очистной выработки.

Рис. 87. Распределение напря­ жений в зоне влияния очистной выемки мощных пластообраз­ ных рудных залежей.

а — схемы и размеры зон различ­ ного напряженного состояния; 6, в — изменение коэффициента кон­ центрации напряжений в зависи­ мости от расстояния до горизонта очистных работ у висячего и лежа-

^ чего	боков	залежи.
1 — рудное тело; 2		— зона обруше­
ния; 3 — зона	опорного		давления;
4 — зона разгрузки;		5 —	зона сдви­

жения; 6 — зона разрушенной руды.

Однако наиболее надежными являются результаты натур­ ных определений и измерений параметров зон опорного давле­ ния, а не расчетные параметры. В частности, многочисленными инструментальными наблюдениями установлено, что пик напря­ жений в зоне опорного давления располагается обычно на рас­ стоянии от забоя, равном 2—5 мощностям пласта и равен чаще всего (2-т-3) уЯ [46].

Для рудных месторождений закономерности образования зон опорного давления изучены в меньшей степени. Например, по результатам непосред­ ственных измерений напряжений в массиве пород вокруг камер на Высоко­ горском железорудном месторождении Урала установлено, что максимальное значение опорного давления при ширине камер 15—60 м составляет (3-f- -~11)Y#. Этот максимум расположен на расстоянии 2—6 м от границы вы­

работанного пространства [160].

В условиях мощных крутопадающих пластообразных залежей, как, на­ пример, на рудниках им. Дзержинского и нм. Кирова в Криворожском железорудном бассейне, при разработке системами с обрушением зона ста­ ционарного опорного давления со стороны висячего бока распространяется ниже горизонта очистных работ на 130—140 м по вертикали [11]. Коэффи­ циент концентрации Ко напряжений составляет в среднем 1,4 (рис. 87).

Со стороны лежащего бока зона опорного давления начинается ниже гори­

зонта	очистных работ на 30 м и протягивается на глубину до	180	м. Об­
ласть	максимальной концентрации напряжений располагается	на глубине
ПО—120 м, при этом коэффициент концентрации Ко в среднем			равен
также	1,4.

В условиях апатитовых месторождений Хибин, разрабатываемых си­ стемой с массовым принудительным обрушением, при высоте горизонта 70 м ширина зоны опорного давления составляет 40—70 м.

В недостаточной степени изучены закономерности распространения зоны опорного давления в глубь массива от кровли и почвы очистных выра­ боток, особенно для условий рудных месторождений.

§ 57. ВЗАИМНОЕ ВЛИЯНИЕ ОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ РАЗРАБОТКЕ ОБОСОБЛЕННЫХ

ИСБЛИЖЕННЫХ ПЛАСТОВ ИЛИ ЖИЛ

Вреальных условиях случаи, когда пласт или рудное тело отрабатывают одним забоем, а породы окружающего мас­

сива испытывают влияние лишь одной очистной выработки, встречаются редко. Гораздо чаще очистные работы ведут в не­ посредственной близости от ранее выработанных пространств, одновременно по нескольким пластам или жилам, или же на нескольких соседних участках одного и того же пласта (руд­ ного тела). В этих случаях окружающие породы подвергаются одновременному воздействию нескольких очистных выработок, поле статических напряжений в массиве пород вокруг очист­ ных пространств формируется в результате наложения областей влияния каждой выработки и может иметь весьма сложную структуру. Вследствие этого количественно охарактеризовать взаимное влияние очистных выработок в настоящее время весьма сложно, поэтому ограничимся рассмотрением лишь ка­ чественной стороны вопроса.

Рассмотрим два наиболее характерных случая взаимного расположения очистных выработок: когда выработки распола­ гаются в одной горизонтальной плоскости и когда взаимовлияющие выработанные пространства находятся на различ­

ной	глубине	от поверхности.
В	первом	случае в результате взаимного' влияния вырабо­

танных пространств в областях массива, примыкающих к гра­ ницам очистных выработок, происходит наложение зон опор­ ного давления и породы испытывают повышенные нагрузки. Подобная ситуация, например, имеет место, когда осущест­ вляют отработку рудного тела или пласта' без оставления це­ ликов и фронт отработки непосредственно соприкасается в плане с ранее выработанным пространством или обрушен­ ными породами (рис. 88,а). Наложение зон опорного давле­ ния может происходить при отработке ранее оставленных це­ ликов, а также при ступенчатой конфигурации фронта очист­ ных забоев. В соответствии с этим для облегчения условий добычи полезного ископаемого необходимо по возможности стремиться к прямолинейной форме фронта очистных работ и равномерному перемещению, в пространстве всех забоев, без

Рис. 88. Взаимное наложе­

ние зон опорного давления при различных схемах раз­ вития очистных работ.

а — при ведении работ без ос­ тавления целиков между вновь образуемым и ранее образован­

ным	очистным			пространством;
б — при отработке ранее						остав­
ленных		целиков;		в — при			сту­
	пенчатой форме				лавы.
Стрелками			показано		направле­
	ние	движения забоев.					зоны
1 — область			вне	пределов
опорного		давления;			2 — зона
опорного		давления			протяжен­
ностью		I;	3 — участки			взаим­
ного	наложения			зон	опорного

давления; 4 — отработанное про­ странство.

образования выступов неотработанных частей пласта или руд­ ного тела в выработанном пространстве.

Однако	реальная	опасность и практические	затруднения
в вопросах	охраны	и поддержания выработок,	попадающих

в зону опорного давления, возникают лишь в случае, когда значения действующих напряжений приближаются к пределам прочности пород.

Во втором случае (когда разрабатывают свиту пластов или жил) значение деформаций пород обусловливаются прежде всего порядком и очередностью отработки отдельных пластов (жил) в свите, их мощностью, условиями залегания и способом

управления горным давлением.	и сближенные. Пласты
Различают пласты независимые
в свите считают независимыми, если	разработка их возможна

в любом порядке и очередности. Под сближенными понимают обычно такие пласты, одновременная разработка которых за­ труднительна или невозможна или когда разработка одного из них осложняет дальнейшую разработку другого.

При отработке нижнего пласта ранее верхнего (т. е. при подработке) происходит смещение вышележащих пород толщи, вследствие чего над нижним пластом возникает, как правило, зона беспорядочного обрушения, переходящая постепенно в зону прогиба пород с образованием трещин, выше которой появляется зона плавных прогибов. Если подрабатываемый пласт попадает в одну из первых двух зон, то он может ока­ заться разрушенным или сильно разбитым трещинами, и раз­ работка его становится затруднительной.

Минимальная мощность междупластья, при которой рацио­ нальна подработка вышележащего пласта, в условиях пологого

залегания пластов в Донецком и Карагандинском бассейнах может быть рассчитана по формуле [143]

М = 12m-+- 3,5т2,		(181)
где т — вынимаемая мощность	нижнего пласта (т ^.2	м).
В этом случае минимальное	опережение L on и его	продол­

жительность ton при подработке в соответствии с рекоменда­ циями А. А. Борисова определяют из выражений

			(182)
			(183)
где Ьа— длина шага	обрушения ведущего		слоя (т. е. наиболее
прочного и мощного	слоя	междупластья) ; о0ч— средняя ско­
рость очистных работ.		верхний пласт	последовательно про­
В процессе подработки

ходит через следующие стадии деформирования:

а) нагрузка и уплотнение в зоне опорного давления, воз­ никающей впереди очистного забоя нижнего пласта;

б) разгрузка, опускание и разломы над породами, нави­ сающими над выработанным пространством подрабатывающего пласта;

в) повторная нагрузка и уплотнение в зоне опорного дав­ ления, возникающей позади нависающих пород (т. е. в той части выработанного пространства, где эти породы получают

опору);		восстановление первоначальных напряжений
г) частичное
в зоне	полных	сдвижений.
При	отработке верхнего пласта раньше нижнего (т. е. при

надработке) последний подвергается сложному процессу на­ гружения и разгрузки на площади, превышающей размеры от­ рабатываемой площади верхнего пласта. Надработка вызы­ вает уплотнение надрабатываемого пласта в зонах опорного давления и разрыхление его в зонах разгрузки.

Таким образом, при расположении очистных выработок на разной глубине состояние пород в областях массива, испыты­ вающих влияние обеих выработок, может характеризоваться как ростом действующих напряжений (при наложении зон опорного давления), так и их снижением (при расположении одной из выработок в зоне разгрузки другой выработки). Не­ обходимо подчеркнуть при этом, что взаимное влияние даже одинаковых по размерам очистных выработок неравноценно, верхняя выработка оказывает на нижележащую, как правило, гораздо меньшее влияние, чем нижняя — на вышерасположенную. В соответствии с этим в практике чаще горные работы ведут в условиях надработки пластов или жил и реже в усло­ виях подработки.

Учитывая, что ведение очистных работ в условиях взаим­ ного влияния забоев сближенных пластов (жил) определя­ ется, как указывалось, большим числом факторов (нередко противодействующих), окончательный вывод об оптимальном расположении забоев очистных выработок в пространстве мо­ жет быть сделан лишь с учетом конкретной горно-геологиче­ ской обстановки.

Например, поскольку образование трещин в подрабатывае­ мом и надрабатываемом пластах способствует их дегазации и снижению напряжений в междупластье, в условиях месторож­ дений, опасных по внезапным выбросам угля и газа или гор­ ным ударам, вновь проводимые выработки лучше располагать в разгруженных областях массива от предыдущих работ.

Вместе с тем если подобных опасных явлений не предви­ дится, то нерационально располагать вновь проводимые выра­ ботки в зоне разгрузки ранее пройденных выработок. Именно

вэтом случае в выработках наблюдаются наиболее массовые и интенсивные проявления горного давления (заколообразование, вывалы, обрушения, поддувание почвы и др.), затрудняю­ щие поддержание выработок и их эксплуатацию.

По-видимому, наилучшие условия для устойчивости выра­ боток могут быть обеспечены при организации очистных работ таким образом, чтобы все последующие выработки располага­ лись в той части зоны опорного давления, где напряжения, хотя и несколько превышают уровень статических напряжений

внетронутом массиве, но по отношению к прочностным харак­ теристикам пород не являются чрезмерно высокими. Это дости­ гают соответствующим уступным расположением фронта очи­

стных забоев по высоте рудного тела снизу вверх. Рассмотренные случаи взаимного расположения очистных

выработок являются простейшими и, естественно, не исчерпы­ вают всего многообразия конкретных ситуаций, которые могут иметь место в тех или иных условиях.

§ 58. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ ВЕДЕНИИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ

■Особое внимание при выборе способа управления гор­ ным давлением в очистных выработках уделяют поведению пород непосредственной кровли (в пределах призабойного про­ странства) и основной кровли (над призабойным и выработан­ ным пространством). При этом учитывают способность пород кровли к обрушению, высоту зоны обрушения, размеры и дли­ тельность сохранения устойчивых обнажений (особенно непо­ средственной кровли в пределах призабойного пространства), свойства пород почвы (прочность, способность к пучению,

сопротивляемость вдавливанию в нее стоек крепи и др.), при­ меняемые системы разработки и виды крепи, скорость подвигания очистных забоев, количество и степень выбросоопасности разрабатываемых пластов, расстояние между ними, сроки и порядок их отработки, наличие на земной поверхности объ­ ектов, подлежащих защите от влияния горных работ, оснащен­ ность забоев машинами и механизмами, их габаритные раз­ меры и т. д. [23].

Степень значимости каждого из перечисленных факторов часто зависит от конкретных условий: второстепенные в одних условиях могут оказаться определяющими в других, и наобо­ рот. Так, при отработке запасов полезного ископаемого под ответственными сооружениями, плотно застроенными террито­ риями, крупными водными объектами нередко приходится при­ менять системы разработки с закладкой выработанного про­ странства, тогда как по прочим факторам было бы вполне возможно применить в этих условиях другие, более производи­ тельные и экономичные системы разработки и способы управле­ ния горным давлением. При отработке защитных пластов, на­ оборот, предпочтительнее полное обрушение кровли, так как при этом способе управления горным давлением достигается наибольшая разгрузка пластов, опасных по выбросам угля и газа (см. гл. 20).

Вместе с тем имеются факторы, которые являются основ­ ными при выборе способа управления горным давлением в боль­ шинстве встречающихся на практике случаев. К этим факторам следует отнести прежде всего способность пород кровли к об­ рушению, которая положена в основу ряда классификаций. Одной из первых, не потерявших своего значения до настоя­ щего времени, является классификация ВУГИ (табл. 9), пред­ назначенная для выбора способа управления горным давлением в условиях разработки пологих пластов в основных угольных бассейнах СССР. В работе [143] приведена классификация горных пород кровли по обрушаемости, в которой- в каче­ стве классификационного признака принят шаг обрушения.

Согласно	этой классификации к весьма легкообрушающимся
отнесены	породы, имеющие	шаг	обрушения менее 0,5 м,
к легкообрушающимся — не		менее	2 м, к среднеобрушаю-
щимся — менее 10 м и к весьма			труднообрушающимся — бо­

лее 10 м.

Существуют также и другие классификации пород, в основе которых лежат подобные же признаки, но число выделяемых классов другое; например, классификация проф. В. Т. Давидянца [38].

Несмотря на условность приведенных классификаций (в них не учтены коэффициенты разрыхления пород, применяемые виды крепи и некоторые другие влияющие факторы), они играют

Классификация пород для выбора способа управления горным давлением

	К ласс	Х арактеристика	пород кровли	Х арактеристика
	п ород			пород почвы

I

п

n i

IV

Внепосредственной кровле залегает легкообрушающаяся порода, состоящая из одного или не­ скольких слоев мощностью, не меньшей 6—8- кратной мощности разрабатываемого угольного пласта

Внепосредственной кровле залегает толща легкообрушающихся пород, мощность которых мень­ ше 6—8-кратной мощности разрабатываемого угольного пласта. В основной кровле — труднообрушающаяся порода или же порода, обрушающаяся спустя некоторое время после подвигания очистного забоя и обнажения значительной пло­ щади

Внепосредственной кровле залегает мощный слой трудиообрушающейся породы или же над пластом залегает основная кровля, которая мо­ жет быть обнажена на значительной площади

Внепосредственной кровле залегают породы,

обладающие способностью плавно опускаться без значительных разрывов и обрушения (при мощ­ ности пласта до 1 м)

Любой устой­ чивости

То же

»

Склонные к пу­ чению

важную роль в упорядочении выбора оптимальных способов управления горным давлением.

Наибольшее распространение при разработке угольных и ряда рудных месторождений получил способ управления гор­

ным давлением,		носящий название п о л н о е о б р у ш е н и е
к р о в л и .	Применение этого способа позволяет перенести об­
рушение	пород	за пределы призабойного пространства. Осу­

ществляют его периодическими обрушениями (посадками) кровли путем выбивки или передвижения крепи, установленной на определенном расстоянии от забоя. Для регулирования об­ рушения непосредственной кровли применяют специальную крепь, выдерживающую ббльшую нагрузку, чем обычная приза­ бойная крепь. В качестве специальной крепи используют ор­ ганные стенки, металлические костры, кусты из деревянных или металлических стоек, посадочные элементы механизирован­ ных крепей и т. д.

Применение полного обрушения кровли наиболее эффек­ тивно на тонких и средней мощности пластах пологого и на­ клонного падения при породах I, II и III классов (табл. 9), когда обрушившиеся породы подбучивают слои, создавая на­ дежную породную подушку, предотвращающую вредные по­ следствия вторичной осадки.

Способ	ч а с т и ч н о г о		о б р у ш е н и я	к р о в л и	менее	эф­
фективен,	чем	полного обрушения, и потому его			применяют
в настоящее		время редко,	в основном	лишь при	породах	II

класса. При этом способе управления горным давлением обру­ шение непосредственной кровли производят между бутовыми полосами, возводимыми в выработанном пространстве парал­ лельно простиранию пласта. Обрушаемая толща в этих усло­

виях имеет меньшую высоту, чем		при	полном	обрушении, и
не обеспечивает	полного подбучивания		основной	кровли.	п р о ­
Ч а с т и ч н а я	з а к л а д к а	в ы р а б о т а н н о г о

с т р а н с т в а является эффективным способом управления гор­ ным давлением в условиях резкого изменения мощности пласта, очень слабой почвы, весьма прочных или, наоборот, весьма сла­ бых пород непосредственной кровли, т. е. преимущественно в условиях, когда процесс обрушения является труднорегули­ руемым. Это достигают путем возведения бутовых полос по простиранию пласта.

При разработке пластов мощностью до 1 м и тонких жил, в непосредственной кровле которых залегают породы, обладаю­ щие способностью прогибаться без видимых нарушений сплош­ ности или с частичными местными растрескиваниями (IV класс по классификации ВУГИ), целесообразно управлять горным давлением способом п л а в н о г о о п у с к а н и я (особенно если почва пласта склонна к пучению). Это один из наиболее про­ стых и экономичных способов.

К числу самых дорогостоящих способов управления горным

давлением относится в настоящее время п о л н а я	з а к л а д к а
в ы р а б о т а н н о г о п р о с т р а н с т в а . Поэтому	данный спо­

соб применяют в тех случаях, когда другие способы не обеспе­ чивают безопасности работ, технически неосуществимы или не отвечают дополнительным требованиям, предъявляемым к гор­ ным работам в рассматриваемых конкретных условиях. Такие требования могут возникнуть при послойной отработке пластов и рудных тел, при отработке мощных сближенных пластов или рудных тел в восходящем порядке, при необходимости сохра­ нить вышележащие горные выработки или ответственные со­ оружения, расположенные на земной поверхности, и в других аналогичных случаях. Способ закладки выработанного про­ странства (с учетом степени усадки закладочного материала) выбирают в зависимости от конкретных условий и поставлен­ ных задач. Иногда бывает достаточным удержать породы непо­ средственной и основной кровли от обрушения, а иногда нельзя допустить даже прогиба пород свыше определенного (нередко весьма малого) значения.

В условиях разработки маломощных угольных пластов кру­

того падения	значительное распространение получил		способ
у д е р ж а н и я	п р и з а б о й н о г о	п р о с т р а н с т в а	на

к о с т р а х . При этом способе управления горным давлением в условиях пластичных пород преобладают явления плавного опускания кровли, а в условиях прочных пород— процессы об­ рушения.

При разработке крутых пластов и рудных тел средней мощ­ ности основным способом управления горным давлением явля­

ется	п о л н о е	о б р у ш е н и е с п е р е п у с к о м	о б р у ш е н ­
ных	п о р о д с	в ы ш е л е ж а щ е г о г о р и з о н т а	на н и ж е ­
л е ж а щ и й .

Мощные крутопадающие пласты угля, склонного к самовоз­ горанию, целесообразно отрабатывать с закладкой выработан­ ного пространства. При этом для исключения перепуска с верх­ них горизонтов сыпучих пород, глин, пород из участков поту­ шенных и действующих пожаров между горизонтами следует оставлять надежные целики или возводить специальные полосы из упрочненной закладки.

Глава 11. УСТОЙЧИВОСТЬ ЦЕЛИКОВ

ИОБНАЖЕНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД

§59. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ УСТОЙЧИВЫХ ЦЕЛИКОВ И ОБНАЖЕНИИ ПОРОД В ОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТКАХ

Под устойчивым понимают такое состояние выработок, когда без дополнительных мероприятий обеспечивается без­ опасность работающих людей и нормально выполняется техно­ логический цикл.

На основе общих представлений механики устойчивость ка­ кой-либо системы может быть охарактеризована условиями, обеспечивающими сохранение ее состояния в течение заданного

времени.	Применительно к	горным выработкам у с т о й ч и ­
в о с т ь	можно определить	как способность сохранения, во-

первых, формы и, во-вторых, размеров выработки, обес­ печивающих ее эксплуатацию в течение необходимого пе­ риода.

Очевидно, в такой постановке вопроса устойчивое состоя­ ние выработок определяется соотношением действующих в мас­ сиве пород напряжений и деформационно-прочностных свойств пород. Вследствие этого для каждого сочетания горно-геологи­ ческих условий существуют определенные размеры обнажений пород в выработках, при превышении которых выработки при­ ходят в неустойчивое состояние и их эксплуатация становится небезопасной. В подобных случаях параметры элементов си­ стем разработки либо выбирают таким образом, чтобы обна­ жения пород не превышали критических размеров для действу­

ющего в элементах уровня напряжений, либо упрочняют эти элементы, применяя различные виды крепи.

С целью регулирования размеров обнажений пород в выра­ ботанных пространствах часто оставляют целики, т. е. нетро­ нутые участки рудного тела, пласта или вмещающих пород. При этом в зависимости от применяемой технологии целики или извлекают после отработки основной части полезного ис­ копаемого на участке, горизонте, или же оставляют в недрах, что, естественно, приводит к увеличению потерь полезных ис­ копаемых. Извлечение целиков, как правило, сопровождается трудностями в организации и обеспечении работ, а иногда тре­ бует применения специфических систем разработки.

Назначением целиков является предотвращение развития недопустимых деформаций в массиве окружающих пород и пре­ дотвращение увеличения размеров зон разрушения. В зависи­ мости от того, для охраны каких объектов они предназначены и каковы сроки их существования, целики подразделяют на не­ сколько видов. Целики, предназначенные для охраны сооруже­ ний поверхностного комплекса шахт и рудников от вредного влияния очистных работ, называют п р е д о х р а н и т е л ь н ы м и , срок их службы составляет обычно несколько десятилетий и часто совпадает с общим сроком эксплуатации горнорудного предприятия.* Для охраны капитальных вскрывающих вырабо­

ток (стволов, штолен, штреков	или квершлагов) оставляют со­
ответствующие о х р а н н ы е	целики (околоствольные, около-

штольневые, надили подштрековые и т. д.). Срок их службы также весьма длителен и, как и в первом случае, может дости­ гать нескольких десятков лет. Для поддержания очистных про­ странств, для предохранения подготовительных выработок, а также для исключения влияния очистных работ на соседних участках оставляют в р е м е н н ы е целики. Это наиболее мас­ совый вид целиков, срок их существования обычно составляет несколько лет, т. е. соизмерим с периодом эксплуатации от­ дельных участков, блоков или камер.

В случаях, если оставляют целики излишне больших раз­ меров, это приводит к неоправданным потерям, если же раз­ меры целиков недостаточны, то происходит их разрушение, ко­ торое влечет за собой перераспределение напряжений в окру­ жающем массиве пород, часто в обширных областях. При этом разрушение целиков на одном участке может вызвать лавино­ образное разрушение целиков на соседних участках. С этой точки зрения оставление недостаточных по размерам целиков может приводить к большим трудностям, нежели ведение ра­ бот без оставления целиков.

* О способах расчета и построения предохранительных целиков см. гл. 17.