Снижение опорного давления и предотвращение его вредного воздействия.

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 и предотвращения 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).

Некоторые из этих мероприятий рассмотрим детально.

Первые три пункта фактически обусловливают 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 производить в соответствии с ориентацией основных систем структурных неоднородностей, в частности, с ориентацией основных систем естественных 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. 8.16).

 

Рис 8.16. Схема принудительной посадки пород глубокими скважинами:

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

 

 

При разработке месторождений с крутыми углами 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 осуществление принудительной посадки 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. 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. 8.17).

Рис. 8.17. Схема опережающей отбойки подэтажей при системе этажного принудительного обрушения:

1 — откаточный орт; 2 — выпускная воронка; 3 - подсечная выработка; 4 - отбитая руда; 5 - обрушенные породы; 6 - 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; I – VII – очередность отбойки подэтажей.

 

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. 8.17.

Другим примером надработки при системе этажного принудительного обрушения является 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 также 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 могут отрабатываться 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. 8.18, положение 1 ) при двухстадийной — на оставляемые временные целики (положения 2, 3 ). При этом величина опорного давления на целики (особенно при сохранении целиками жесткости) в 1,5—2,0 раза выше, чем на массив (положение 3 ).

Рис. 8.18. 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 отношения 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. 8.19).

 

Рис. 8.19. 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.

 

Поэтому одностадийную выемку целесообразнее применять при более слабых породах. При прочных нетрещиноватых породах, когда целики сохраняют свою устойчивость, более предпочтительна двухстадийная выемка.

 

Коэффициент опорного давления можно определить из выражения

К_о = λ (L/Н)² +1,(8.13)

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 (8.13), 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];(8.14)

на целики при двухстадийной выемке

σ_Z” = K_ст γН [λ (l₀ /Н)² +1];(8.15)

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 (8.15) по формуле

ξ σ_Z”

Н_п = -------------------,(8.16)

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 нагрузок, 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.

С этой целью подбирают оптимальные параметры оставляемых целиков.

Например, 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. 8.20).

 

Рис. 8.20.Управление обрушением пород при податливых целиках

 

С этой целью оставляются податливые целики шириной 3 м; при этом 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 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.

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. 8.21).

Рис. 8.21. 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.

8.9. Расчёт толщины предохранительной подушки для защиты выработок от воздушного удара.

Во избежание динамических воздействий от обрушающихся пород, в том числе воздушных ударов, при применении систем разработки с массовым обрушением действующие выработки в отрабатываемом этаже или подэтаже не должны иметь прямого контакта с незаполненным выработанным пространством.

 

Сила травмирующего воздействия воздушного удара определяется двумя факторами: величиной избыточного давления воздуха на фронте волны и скоростью воздушного потока.

При давлении на фронте ударной волны 0.2-0.9 атмосферы человек получает лёгкую контузию, при 0.35-1.05 атм. – разрыв перепонки. Отсюда допустимое давление на фронте ударной волны – 0.1 атм. (10 кПа).

При скорости больше 25-35 м/с воздух срывает человека с места, отсюда допустимая скорость движения воздуха равна 15 м/с.

 

В соответствии с требованиями правил безопасности эти выработки должны быть защищены предохранительной подушкой из раздробленной горной массы.

Предохранительная подушка может быть образована тремя способами:

· за счёт заполнения выработанного пространства обрушенными породами;

· за счёт временного оставления в выработанном пространстве части отбитой руды (при недостаточном затекании ранее обрушенных пород);

· принудительным обрушением пород висячего бока на определённую высоту.

Способ образования предохранительной подушки и её толщина выбираются в зависимости от принятой под висячим боком системы разработки.

В специальном проекте на производство массового взрыва секции, расположенной под необрушенными породами висячего бока, должны быть предусмотрены:

· характеристика заполнения выработанного пространства обрушенными породами (см. рис.8.6.);

· оценка устойчивости обнажения покрывающих пород;

· выбор типа предохранительной подушки (рудной или породной) по условию экономически допустимого интервала времени между созданием рудной подушки и её доизвлечением (в условиях ОАО «Апатит» этот интервал оценивается в 4.5 года);

· расчёт необходимой толщины предохранительной подушки;

· выбор схемы и параметров частичного принудительного обрушения пород для создания предохранительной подушки необходимой толщины на момент прекращения выпуска руды.

Расчёт предохранительной подушки производится из условия, чтобы перепад давления воздуха в действующих выработках при массовом обрушении покрывающих пород не превышал допустимого значения 0.02 МПа.

Минимально необходимая толщина предохранительной подушки может быть определена из выражения:

для рудной подушки:

(8.17)

для породной подушки:

(8.18)

где – высота выработанного пространства;

. (8.19)

где – коэффициенты, учитывающие аэродинамическое сопротивление, соответственно, рудной (породной) подушки, обрушающихся пород и рудовыпускных выработок; – коэффициент, учитывающий степень изолированности подземной пустоты; – коэффициент, учитывающий прочие факторы (неравномерность толщины подушки и среднего диаметра куска слагающих её пород и т.п.) и резерв.

 

Численные значения коэффициента К₁ определяются из выражения:

, (8.20)

где f – коэффициент крепости породы (по шкале М.М. Протодьяконова), обрушенной для образования подушки; – средний диаметр кусков пород, слагающих подушку, м; (для рудников ОАО “Апатит” средний диаметр куска отбитой руды принимается =0.35-0.40 м; породы — =0.8-1.0 м).

 

Значение коэффициента , учитывающего аэродинамическое сопротивление обрушающихся пород, зависит от характера обрушения и состояния выработанного пространства. При самообрушениях свода над выработанном пространством = 0.4; в случае полного самообрушения основных пород с мгновенным выходом на поверхность =0.9-1.0.

Коэффициент K₃, учитывающий аэродинамическое сопротивление рудовыпускных выработок, определяется из выражения:

, (8.21)

где S _секц– площадь отбитой секции, подлежащая защите от воздушного удара, м²; n – число выпускных отверстий по площади секции; Sв – площадь выпускного отверстия, м²; а – показатель степени, учитывающий характер обрушения: а = 1 при самообрушении свода и а = 1.7-2.0 в случае полного самообрушения.

 

Коэффициент , учитывающий степень изолированности выработанного пространства, принимают равным 0.8-1.0 (меньшее значение соответствует сбойке с пустотой у основания, а большее у кровли выработанного пространства).

Коэффициент , учитывающий прочие факторы (неравномерность толщины и кусковатости пород подушки), принимают равным 1.2-1.4 (большее значение соответствует значительной неравномерности толщины и кусковатости пород подушки).

Если в блоке уже имеется рудная подушка известной толщины, то толщина образуемой над ней породной подушки должна быть не менее

, (8.22)

где – толщина рудной подушки, м; – коэффициент разрыхления горной массы, слагающий породную подушку ( = 1.5).

 

Максимальная величина подработки покрывающих пород вкрест простирания l_п._доп, при которой ещё может обеспечиваться создание предохранительной подушки за счёт затекания ранее обрушенных пород (рис.8.22) определяется по формуле:

Рис. 8.22. Расчётная схема к определению толщины предохранительной подушки при затекании пород.

 

, (8.23)

где – высота выработанного пространства на границе отбойки; φ – угол затекания пород (для условий ОАО «Апатит» φ = 50⁰); α – угол падения контакта рудного тела.

 

Если , то затекание пород обеспечивает необходимую толщину предохранительной подушки и частичного принудительного обрушения не требуется. (l_П – ширина фронта подработки вкрест простирания).

При необходимо принудительное обрушение части пород висячего бока одновременно с массовым взрывом в блоке. При этом необходимая высота обрушения пород _. определяется:

, (8.24)

где – фактическая толщина породной подушки на момент окончания выпуска породы из секции; – коэффициент разрыхления покрывающих пород.

Принудительное частичное обрушение пород висячего бока может быть осуществлено по схеме, изображенной на рис. 8.23.

Рис. 8.23. Схема частичного обрушения пород при системе этажного обрушения

1–контур частичного обрушения пород.

 

 

Принудительное частичное обрушение пород в проектах массовых взрывов предусматривается до тех пор, пока соотношения величин подработки вкрест простирания l и длины фронта работ по простиранию L не достигнут критических параметров, соответствующих полному самообрушению пород над выработанным пространством.

 

8.10. Предрасчёт объёмов обрушения.

Предрасчет объемов и площади возможного развала подработанных пород висячего бока необходимо производить

- на участках, где обрушение пород может угрожать безопасности горных работ на карьерах или объектах промплощадки;

- для определения допустимых границ отбойки руды под висячим боком с точки зрения возможности размещения обрушающихся пород в выработанном пространстве.

В зависимости от уровня подпора ранее обрушившимися породами развал вновь отделившихся от массива пород висячего бока будет происходить по-разному, что необходимо учитывать при прогнозировании объемов и последствий обрушения:

В частности, при полном подпоре (h₀/H₁ = 1) (см. рис. 8.9) отделившиеся от массива подработанные породы (заколы), постепенно разрушаясь, заполняют выработанное пространство по мере его образования при выпуске руды. Угроза развала пород за пределы выработанного пространства при полном подпоре отсутствует, и предрасчет объёмов и площади развала обычно не производят.

При частичном подпоре (h₀/H₁ <1) (см. рис. 8.9) развал породы может произойти на всей площади или на части её; одновременно с массовым взрывом или с задержкой после него. При соответствующих условиях могут образовываться заколы и консольные зависания. В любом из этих случаев, следует считать, что часть подработанных пород, расположенных выше линии навалов, размещается в выработанном пространстве, или, при недостаточном объеме последнего, может быть выброшена за его пределы. Здесь вероятный объем и границы ожидаемого развала пород должны быть установлены предрасчетом.

В условиях рудников ОАО «Апатит» на участках, где обрушение происходит без оставления консоли, предрасчет производится в следующем порядке (рис.8.24):

Рис. 8.24. Схема к предрасчёту объёма обрушения покрывающих пород

1 – отбиваемая секция; 2 – подрабатываемые покрывающие породы; 3 – отработанное пространство, заполненное ранее обрушенными породами; 4 – граница ожидаемого обрушения; 5 – поверхность развала ранее обрушенных пород; 6-склон горы.

АБ – граница возможного обрушения подрабатываемых пород; БДВГ – объём породы, который должен разместиться в отработанном пространстве

 

На разрезах, отстраиваемых в направлении вероятного развала пород и по характерным местам отбиваемой секции, рельефа поверхности и развала обрушенных пород, наносятся границы отбиваемой секции, фактическое положение стенки обрушения, уровень ранее обрушенных пород и склона горы в пределах ожидаемой подработки.

От границы отбиваемой секции со стороны массива под углом обрушения отстраивается граница возможного обрушения подрабатываемых пород (линия АБ).

От точки подпора В, расположенной на границе ранее обрушенных пород проводится линия ВГ под углом развала , ограничивающая объем породы БДВГ, который должен разместиться в выработанном пространстве.

Подбирается положение линии ЕЖ, проводимой под углом с таким расчетом, чтобы площадь S_ЕЖГВ была в 1.5 раза больше (с учетом коэффициента разрыхления при обрушении) площади S_ВГБД.

Точки Е с разрезов переносятся на план дневной поверхности, а линия, соединяющая их между собой, представляет собой границу возможного развала пород при обрушении (опасную зону).

При наличии неблагоприятных факторов: большое количество снега в обрушении, сгладившего неровности существующей поверхности развала, большая высота свободной от подпора стенки обрушения; большая крутизна существующего развала пород – более 37° и т.п., зона может быть увеличена на 100 м.

 

На участках плитных зависаний (с образованием консоли) предрасчет отличается от изложенного выше лишь тем, что граница возможного обрушения отстраивается на расстоянии от существующей стенки обрушения, равном шагу обрушения l. При этом от точки подпора В в сторону массива по горизонтали откладывается шаг обрушения l, в точке А под углом обрушения отстраивается граница возможного обрушения АБ (рис.8.25).

Рис. 8.25. Схема к предрасчёту объёма обрушения покрывающих пород при консольном зависании

1 - выработанное пространство, заполненное ранее обрушенными породами; 2 - подработанные покрывающие породы; 3 - граница подработки; 4 - граница ожидаемого обрушения; 5 - поверхность развала ранее обрушенных пород; 6 - склон горы; 7 - стенка обрушения; 8 - карьер.

 

 

Предполагаемая зона обрушения поверхности должна быть ограждена от допуска в нее людей, как во время взрыва, так и после него, до окончательной посадки пород поверхности.

 

С целью изучение процесса сдвижения и обрушения покрывающих пород, уточнения методики прогнозирования объёмов обрушения, получения объективных данных о состоянии подрабатываемых пород и определения степени опасности от обрушенных пород организуются и выполняются визуальные наблюдения и инструментальные съёмки обрушений.