Снижение и предотвращение вредного воздействия опорного давления

Ввиду того, что опорное давление может быть причиной возникновения высоких напряжений в краевой зоне рудного массива и серьезных его деформаций при разработке месторождений системами с обрушением пород, рекомендуется применять следующие мероприятия по снижению и предотвращению вредного воздействия опорного давления на очистные блоки:

· создание благоприятных условий для своевременного самообрушения пород для ликвидации опасных зависаний;

· соответствие параметров отрабатываемых блоков шагу обрушения пород;

· принудительная посадка труднообрушаемых пород;

· опережающая выемка верхних частей блоков или надработка перенапряженных участков месторождения;

· применение податливых целиков и разгружающих выработок в зонах опорного давления;

· применение одностадийной отработки блоков вместо двухстадийной;

· строгое соблюдение интенсивности работ и порядка отработки месторождения (шахтного поля, участка, блока).

Управление обрушением пород. Чтобы обеспечить самообрушение пород вслед за подвиганием очистных работ, необходимо иметь достаточную протяженность фронта очистных работ в виде сплошной линии без оставления целиков. При этом запрещается выборочная выемка блоков. Все эти условия должны быть предусмотрены проектом и строго соблюдаться на практике.

Основанием для установления параметров отработки, достаточных для самообрушения пород, являются специальные исследования в производственных и лабораторных условиях.

Выбор направления фронта очистных работ необходимо согласовывать с основной системой трещин. Если линия фронта очистных работ совпадает с простиранием основных трещин, то при усилении опорного давления отдельные блоки руды будут сползать в сторону выработанного пространства. Поэтому рекомендуется направление линии фронта работ принимать под прямыми или крутыми углами к основной системе трещин, разделяющих массив руды.

Для предотвращения опасных деформаций трещиноватого массива при возрастании опорного давления необходимо параметры вынимаемых блоков руды принимать такими, чтобы подготовка и отбойка блоков завершались раньше появления в них опасных деформаций.

Многолетняя практика разработки рудных месторождений системами с обрушением показывает, что наиболее безопасна и эффективна выемка сплошным фронтом от середины месторождения (шахтного поля, этажа) к флангам. Прямолинейный (или уступный) фронт очистных работ должен быть ориентирован в соответствии с линией обрушения налегающих пород.

Если самообрушение пород задерживается и возникает угроза внезапной посадки пород, то для создания предохранительной "подушки" между работающими блоками и зависающими породами необходима принудительная посадка пород объемом, обеспечивающим дальнейшую безопасную выемку. Обычно, когда отрабатываются пологие или наклонные залежи, налегающие породы подрываются на высоту, равную или превышающую мощность залежи (рис. 8.12).

Рис 8.12. Схема принудительной посадки пород глубокими скважинами:

1 - массив руды; 2 - обрушенные породы; 3 - глубокая скважина.

 

При разработке месторождений с крутым углом падения подрывается висячий бок или междуэтажный целик для перепуска обрушенных пород с верхних этажей.

Принудительная посадка пород обеспечивает некоторое снижение опорного давления на прилегающий рудный массив. Обычно оно уменьшается на 10-15%. Практика показывает, что уменьшение величины опорного давления при принудительной посадке пород обратно пропорционально глубине работ, в то время как затраты на ее осуществление возрастают. Поэтому более радикальной мерой, обеспечивающей снижение опорного давления, является отработка блоков такими размерами, чтобы после их выемки происходило самообрушение пород.

Если налегающая толща представлена устойчивыми породами, то развитие естественного самообрушения затрудняется и поэтому, как правило, неизбежны опасные зависания подрабатываемого массива. Принудительное обрушение кровли неэффективно, так как после него самообрушения пород до поверхности не происходит. Образующиеся зависания и накопление незаполненных пустот представляют большую угрозу внезапной посадки. В этом случае рекомендуется метод управляемого самообрушения пород, основной принцип которого заключается в следующем.

В процессе отработки месторождения породы висячего бока поддерживаются целиками, имеющими значительный запас прочности. При достижении предельных пролетов и площадей подработки целики одновременно взрываются и вышележащие породы самообрушаются до поверхности. Затем отработка подвигается от обрушенного пространства. Если фронт работ имеет достаточную протяженность (обычно не менее 150—300 м), то продолжается управляемое обрушение консолей с определенным шагом. Величина опорного давления на массив руды до момента обрушения консоли повышается до (1,5÷2) γН и снижается после обрушения консоли до первоначального значения.

Надработка напряженных участков массива руды..Сущность этого метода заключается в отрезке напряженных участков массива руды от вышележащих пород с целью снижения опорного давления. Для этого применяются: первоочередная выемка верхних подэтажей в блоке, проходка специальных разгружающих (защитных) или отсечных выработок со стороны висячего бока, первоочередная отработка вышележащих залежей (пластов, жил). В результате этого происходит разгрузка массива руды защищенных залежей, предназначенных для очистной выемки.

В качестве примера, поясняющего влияние опережающей выемки верхнего подэтажа на напряженное состояние расположенного ниже массива руды, можно привести надработку верхней части блока при системе этажного принудительного обрушения с одностадийной выемкой (рис. 8.13).

Рис. 8.13. Схема опережающей отбойки подэтажей при системе этажного принудительного обрушения:

1 — откаточный орт; 2 — выпускная воронка; 3 - подсечная выработка; 4 -отбитая руда; 5 - обрушенные породы; б - линия сдвижения породной консоли; 7 — эпюра опорного давления до обрушения консоли; 8 — то же после обрушения консоли; 9 - то же после образования зависания пород; 10 — линия отбойки руды; 11 - подэтажные выработки; 12 - массив руды.

 

Вследствие зависания консолей вышележащих пород массив руды в блоке может подвергаться воздействию высокого опорного давления (особенно при увеличении глубины работ). В результате этого деформируются буровые и выпускные выработки, смещаются пробуренные взрывные скважины. Чтобы предотвратить или снизить вредные проявления опорного давления, рекомендуется до выемки основной части секций в блоке (части I, Ш, V, VII) производить опережающую отбойку верхних подэтажей (II, IV, VI). Это приводит к разгрузке секций и перемещению максимума опорного давления на нетронутый массив. При зависании консолей, как правило, происходит опережающее деформирование верхней части рудного массива, поэтому целесообразно линию забоя в блоке по высоте делать ступенчатой или наклонной в сторону висячего бока, как это показано на рис. 8.13.

Из других примеров надработки при системе этажного принудительного обрушения следует привести применение опережающего взрывания блоков руды на всю высоту до проведения основной части нарезных выработок в днище блока (скреперных штреков, воронок, траншей и др.).

В практике встречается предварительная отсечка от вмещающих пород верхней части перенапряженных блоков руды или оставленных ранее целиков для их разгрузки и последующей выемки.

Применение одностадийной выемки. Как известно, при системахс обрушением блоки руды отрабатываются в одну или две стадии. При двухстадийной выемке сначала в блоках вынимаются компенсационные камеры, на которые затем взрываются целики, при одностадийной — руда отбивается на "зажатую среду" (т.е. на ранее отбитую руду или обрушенные породы) без предварительного образования компенсационных камер.

Максимум опорного давления при одностадийной выемке приходится на призабойный рудный массив (рис. 8.14, положение 1) при двухстадийной — на оставляемые временные целики (положения 2, 3). На целики его величина бывает в 1,5—2,0 раза выше, чем на массив. Отмечается, что при сохранении целиками жесткости напряжения выше в целике, прилегающем к выработанному пространству (положение 3).

Рис. 8.14. Распределение опорного давления:

1 - при одностадийной выемке; 2 и 3 - при двухстадийной выемке соответственно с одной и двумя компенсационными камерами; σ - действующие на целик и массив напряжения.

 

Величина коэффициента опорного давления зависит от соотношения пролета выработанного пространства L к глубине разработки H. Исследования на моделях из эквивалентных материалов показали, что при одинаковой величине L/Н коэффициент опорного давления К_о ниже при одностадийной выемке (рис. 4.15). Поэтому одностадийную выемку целесообразнее применять при более слабых породах. При прочных нетрещиноватых породах, когда целики сохраняют свою устойчивость, более предпочтительна бывает двухстадийная выемка.

Рис. 8.15. Зависимость коэффициента опорного давления К_о от соотношения L/Н:

1,2— соответственно первый и второй целики при двухстадийной выемке; 3 — рудный массив при одностадийной выемке

 

Коэффициент опорного давления можно определить из выражения

К_о = λ (L/Н)² +1,(8.10)

где λ — коэффициент, зависящий от условий разработки (находится экспериментально).

Принимая во внимание, что К_о = σ_Z/(γН), можно определить максимальное значение действующего напряжения σ_Zв зоне опорного давления при разработке до выхода обрушения на поверхность из формулы (8.10), подставив в нее значение К_о.

После обрушения поверхности при установившемся движении пород с шагом l₀ значение максимальных σ_Zопределяется:

на массив руды при одностадийной выемке

σ_Z’ = γН [λ (l₀/Н)² +1];(8.11)

на целики при двухстадийной выемке

σ_Z” = K_ст γН [λ (l₀/Н)² +1];(8.12)

где K_ст - коэффициент, зависящий от числа временно оставляемых в блоке целиков, при одном целике K_ст =1,15÷1,20, при двух K_ст = 1,3÷1.4.

Если [σ_сж^м] > σ_Z’и [σ_сж^ц] > σ_Z” (здесь [σ_сж^м], [σ_сж^ц] пределы прочности пород на сжатие соответственно в массиве и целике), то успешно могут применяться как одностадийная, так и двухстадийная выемка. При

[σ_сж^м] > σ_Z’и [σ_сж^ц] < σ_Z” необходимо применять только одностадийную выемку.

Предельная глубина применения двухстадийной выемки может быть найдена после преобразований выражения (8.12) по формуле

ξ σ_Z”

Н_п = -------------------,(8.13)

K_ст γ (ξ β² +1)

где ξ - коэффициент ползучести пород ξ = 0,5 ÷0,7; β = l₀/Н, изменяется от 0,1 до 0,3 (большие значения характерны для меньших глубин).

На больших глубинах, как правило, применяется одностадийная выемка, так как перенапряжение целиков при двухстадийной выемке может быть причиной горных ударов. При отработке блоков необходимо соблюдать сплошной фронт работ с минимальными размерами уступов по линии фронта.

Создание искусственной податливости пород.Данный способ имеет целью придавать упруго деформируемым породам пластические свойства. Если оставляемым при разработке месторождений целикам придавать искусственную податливость, то система «целик—вмещающие породы» будет работать совместно, и при увеличении горного давления, когда происходит сближение кровли и почвы очистного пространства, можно предотвратить разрушение целиков и обрушение кровли. Для этого необходимо, чтобы совместная работа вышеуказанной системы происходила в области допустимых деформаций.

Для создания искусственной податливости целиков пробуривают скважины в породах почвы под целиками или разбуривают (без взрывания) массив целика под кровлей залежи параллельными скважинами, оставляя между ними промежутки пород (шириной 5—7 см); пропиливают в целиках горизонтальные щели; вынимают верхнюю часть целика (толщиной 0,7-1,0 м) и закладывают ее низкомодульным материалом.

При отработке пологих калийных пластов Старобинского месторождения системой длинными столбами с обрушением для предотвращения опасного трещинообразования водоупорной глинистой толщи применяется плавная посадка вышележащих пород (рис. 8.16).

Рис. 8.16.Управление обрушением пород при податливых целиках

 

Оставляются податливые целики шириной 3 м; шаг обрушения непосредственной кровли составляет 9 м. Образующиеся трещины в основной кровле затухают ниже границы водоупорной толщи и поступление воды с верхних горизонтов в подземные выработки предотвращается.

Для сохранности выработок (конвейерных, транспортных, вентиляционных), расположенных в панельных целиках и подверженных воздействию значительного опорного давления, параллельно проводят специальные разгружающие штреки, вокруг которых образуют зону податливости. С этой целью из разгружающих выработок буровзрывным способом или врубовой машиной проходят щели податливости на глубину 0.8—1.8 м в кровли, почве и боках в зависимости от предполагаемой зоны формирования пластических деформаций (рис. 8.17).

Рис. 8.17. Поперечное сечение разгружающего штрека, пройденного в слабых породах:

1 — щели податливости; 2 - деревянный вкладыш; 3 - контур зоны податливости пород.

 

Разгружающие штреки проводят раньше охраняемых выработок на расстоянии 2,5—3,0 м от них и располагают несколько выше (на 0.8 м) уровня почвы этих выработок.

При увеличении опорного давления разгрузочные щели начинают смыкаться. Для более плавного смыкания в них рекомендуется вкладывать отрезки дерева или полиуретана. Практика показала, что приконтурный массив горных пород в результате пластического деформирования не разрушается. Если необходимо продлить срок службы выработки, то возможно дополнительное образование щелей с учетом последующего уменьшения площади сечения выработки.

Практически разгружающие щели можно делать в любых выработках, пройденных в слабых породах и подлежащих охране при воздействии на них опорного давления.