Основные закономерности процессов обрушения пород.

Анализ разработки месторождений, представленных трещиноватыми породами относительно однородного строения, и опытов на моделях из эквивалентных материалов показал, что процесс обрушения пород над выработанным пространством можно разделить на два периода:

1. до выхода обрушения на поверхность;

2. после выхода обрушения на поверхность.

Последовательное развитие обрушения трещиноватых пород однородного строения при горизонтальном залегании полезного ископаемого можно представить в виде принципиальной схемы, изображенной на рис. 8.4.

Рис 8.4. Принципиальная схема обрушения трещиноватых скальных пород однородного строения (пунктиром показаны линии сдвижения и самообрушения пород):

I, II, …, VI - порядок отработки блоков; 1, 2, 2’,…, 5, 5' – последовательность сводообразных обрушений; А, Б, В, Д - стадии самообрушения земной поверхности.

 

Отработка отдельных блоков (I, II,...., VI) от середины шахтного поля к флангам способствует сводообразованию до момента достижения предельного пролета подработки L_п. Самообрушение пород на этой стадии характеризуется беспорядочными вывалами, отслоениями по имеющимся или вновь образующимся трещинам. Коэффициент разрыхления пород при таком обрушении может достигать 1,3— 1,4.

В крепких слаботрещиноватых или расслоенных породах своды обрушения могут быть плоскими, а в неустойчивых сильно трещиноватых — сводчатыми, с различной высотой свода, определяемой степенью устойчивости пород и условиями разработки.

Например, в интенсивно раздробленных неустойчивых габбро-диабазах рудника "Заполярный" Норильского ГМК отношение максимальной высоты свода В_maх к предельному пролету подработки L_п изменялось от 0,40 до 0,45.

В то же время на рудниках Жезказгана, где породы менее трещиноваты, но склонны к расслоениям, согласным с залеганием залежи, это отношение меньше - В_maх / L_п =0,25÷0,30. Это объясняется также условиями развития обрушения, обусловленными отработкой рудных залежей с оставлением целиков и последующим их деформированием.

 

Первое обрушение поверхности в виде провала (стадия А, см. рис. 8.4), как правило, происходит над наиболее высокой частью естественного свода.

В сильнотрещиноватых породах этому обрушению, как показывают маркшейдерские наблюдения, предшествует медленное сдвижение земной поверхности без разрыва сплошности. Интенсивное нарастание сдвижения наступает непосредственно перед тем, как образуется провал. Обрушение происходит обычно под крутыми углами (75-90⁰) в сторону выработанного пространства.

В малотрещиноватых породах провалы поверхности происходят внезапно без заметного сдвижения поверхности и предварительного появления трещин. Поэтому они представляют большую угрозу, как для зданий, сооружений, так и для людей.

В толщах, сложенных слабыми породами, первое обрушение до поверхности принимает трубообразные формы.

Общий коэффициент разрыхления пород на этой стадии разработки, судя по величине провалов и сдвижений поверхности, составляет 1,03— 1,06 и обычно не превышает 1,1. Это свидетельствует о незначительном разделении массива по трещинам, особенно на заключительной стадии обрушения (части массива А, Б, В, Д на рис. 8.4).

Дальнейшее обрушение пород после образования провала происходит в виде консолей. Консольные зависания Б и В постепенно сползают в сторону обрушившихся пород под углами 75-90°, образуя на поверхности террасообразные площадки.

При применении систем с обрушением в слоистых осадочных породах характер обрушения и сдвижения пород определяется наличием слоистости. Нижняя часть зоны обрушения (сразу над выработанным пространством) характеризуется интенсивным дроблением и беспорядочным обрушением. Средняя — расслоениями, сдвижением и разломами отдельных слоев. Верхняя часть, примыкающая к наносам, может расслаиваться и изгибаться без разломов.

 

При наклонных углах падения рудных залежей общая схема несколько видоизменяется. Подрабатываемые породы висячего бока обрушаются также в виде консолей вслед за выемкой руды, при этом происходит частичное заполнение выработанного пространства.

Форма поверхности отрыва и скольжения самообрушающихся блоков определяется структурными особенностями массива. При наличии крупных структурных неоднородностей (трещин большой протяжённости, даек, зон ослабленных пород и др.), параллельных фронту подработки, именно они являются поверхностями отрыва и скольжения обрушающихся блоков.

В частности, для условий апатитовых месторождений естественные поверхности ослабления пород висячего бока представлены, в основном, мончекитовыми дайками и зонами шпреуштейнизации.

При отсутствии естественных поверхностей ослабления, падающих в сторону обрушения, общая поверхность обрушения на апатитовых месторождениях слагается из поверхности отрыва СД (рис. 8.5), имеющей средний наклон 80° и поверхности скольжения АД с углом наклона 30°.

 

Рис. 8.5. Параметры возможного обрушения пород при наклонном падении рудных залежей (на примере Хибинских апатитовых месторождений).

 

 

При частичном заполнении обрушающиеся породы висячего бока образуют в выработанном пространстве навал высотой h c углом откоса φ, который называется углом затекания (рис. 8.6).

Рис 8.6. Образование зоны под висячим боком, опасной по воздушным ударам (гор. +250 м, Юкспорский рудник, ОАО «Апатит»).

a – угол падения висячего контакта рудной залежи, - - прогнозируемая площадь, не заполняемая обрушенными породами после полного выпуска руды; j – угол затекания обрушенных пород.

 

Практикой апатитовых рудников установлено, что при отработке верхних горизонтов (2-3 горизонта от поверхности) для пород висячего бока после отбойки руды в блоке, как правило, не требовалось принудительного обрушения, так как они самообрушаются. С переходом на нижележащие горизонты управление породами висячего бока становится сложнее. Например, уже при отработке гор. +392 м Кукисвумчоррского месторождения возникла необходимость обрушения пород висячего бока минными зарядами. Тогда для этого блоковые восстающие поднимали выше контура рудного тела на 10-15 м. Из них проходили минные штреки и минные карманы. Минные заряды располагали через 12-15 м.

 

При отработке наклонных рудных тел с углом падения, меньшим угла затекания φ, под висячим боком накапливаются пустоты, представляющие опасность воздушных динамических ударов при внезапном обрушении покрывающих пород. Обеспечение безопасных условий применения систем с массовым обрушением по фактору воздушных ударов достигается созданием предохранительной породной, рудной или рудопородной подушки требуемой толщины.

Если подземный очистной забой (или фронт очистных работ) непрерывно продвигается, то обрушение пород все время будет происходить в виде консолей, следуя за очистным забоем и не получая полное развитие по граничному углу вплоть до остановки забоя. Обрушение образовавшейся консоли будет происходить участками, определяемыми предельным (критическим) вылетом консоли, величину которого в первом приближении можно определить по формуле

Х = ±√σ”_max h / γ, (8.3)

где σ”_max – максимальное растягивающее напряжение в консоли, h – мощность консоли; γ – объёмный вес пород.

 

Вообще на характер обрушения консолей существенно влияют силы подпора со стороны ранее обрушившихся пород. Так, если растягивающие усилия, вызываемые весом консоли, в верхней части зависания не уравновешиваются силами подпора обрушенных пород, то ещё до посадки на поверхности образуются почти вертикальные трещины разрыва, создавая условия для дальнейшего сдвижения оторвавшейся части массива. Место раскрытия трещины на поверхности находится не над линией фронта очистных работ (как в упругой среде), а за ней, дальше к массиву.

Наблюдения, проведенные на Зыряновском месторождении, и их анализ показывают, что шаг обрушения консоли составляет 10—15 м и величина его довольно стабильна. Обрушению консоли предшествует появление трещин разрыва. Аналогичные выводы получены применительно и к другим месторождениям. Отделившаяся от массива часть консоли постепенно оседает и, разрушаясь, уходит в зону обрушения. Это обусловлено подпором ранее обрушившихся пород, заполнивших зону обрушения.

 

С увеличением влияния подпора, а также с переходом на большие глубины, обрушение происходит в результате сдвига с последующим разрывом поверхности. Плотное прилегание обрушившихся ранее пород к массиву препятствует образованию опережающих трещин на дневной поверхности, способствует плавному сползанию консоли сплошным монолитом почти без разрыхления.

Например, при отработке Кукисвумчоррского месторождения (ОАО «Апатит») консольные образования трещиноватых пород висячего бока обрушаются крупными блоками («заколами») без интенсивного дробления.

(фото закола, Кировский рудник)

 

При крутом падении рудных залежей в процесс обрушения вовлекаются и породы лежачего бока, которые сползают в виде малораздробленных "призм" с некоторой задержкой от обрушения пород висячего бока (рис. 8.7).

 

Рис. 8.7. Закономерности обрушения пород при отработке рудных тел крутого падения (в условиях Криворожского железорудного месторождения, по данным В.Ф. Лавриненко):

I, II,.... IX - стадии отработки залежи; I’,… IV’ - стадии обрушения пород; V’,…VIII’ – сводообразные обрушения пород; Н_кр и Н_отр - соответственно глубина критическая и отработки; В - ширина зоны смятия; α- угол падения залежи; β,γ- углы сдвижения.

 

 

В зависимости от устойчивости пород эта задержка может быть на один - два этажа. Над выработанным пространством появляется зона обрушения с трещинами и разрывами, террасообразными уступами по периферии. Наиболее глубокая часть мульды сдвижения или зоны обрушения при крутых углах падения рудного тела располагается ближе к лежачему боку залежи. При значительной мощности залежей сползающие породные призмы и обрушающиеся породы являются причиной высокого давления на междуэтажные и междукамерные целики, лежачий бок залежи и рудный массив.

В лежачем боку залежи может появляться зона смятия пород, в пределах которой выработки становятся крайне неустойчивыми, требуют усиленной крепи, больших затрат на ремонт и поддержание. Развитие зоны смятия может обусловливаться также действием горизонтальных сил бокового распора, направленных в сторону выработанного пространства.

Практика отработки криворожских железорудных залежей показала, что величина зоны смятия возрастает с увеличением глубины работ и максимальна на глубине, при которой на лежачий бок и рудный массив приходится полный вес обрушенных пород (до дневной поверхности).

Начиная с определенной глубины (500-600 м и более), называемой критической, в результате перепуска и уплотнения обрушающихся пород сдвижения поверхности замедляются, образование зон обрушения прекращается, уменьшается трещинообразование, появляются плавные оседания. Ниже критической глубины происходят лишь сводообразные обрушения подрабатываемых пород, которые локализуются, не достигая поверхности.