книги / Сдвижение горных пород на рудных месторождениях
..pdfа) достаточно большая глубина разработки (200—300 м), боль шая мощность (более 30 м) и большая длина залежей по простиранию (более 350 ж);
б) наличие в лежачем боку малоустойчивых тонкопереслаивающихся пород с минимальными механическими характеристиками по их контактам;
в) крутой угол падения залежей и подстилающих пород (40—70°).
Рис. 19. Схема сдвижения пород лежачего''бока:
J — граница зоны трещин и террас; 2 — граница зоны сдвижения
2. Характер распределения напряжений в породах лежачего бока перед началом нового (следующего) обрушения пород вися чего бока изображен на рис. 19. На уровне разрабатываемого го ризонта в массиве лежачего бока возникает зона разгрузки I. Ниже горизонта очистных работ имеет место зона опорного давления II, а выше разрабатываемого горизонта щороды лежачего бока нахо дятся в зоне повторного сжатия III. Пунктирной линией на схеме показаны изменения в характере распределения пормальпых напря жений па контакте рудной залежи с породами лежачего бока по срав
нению |
с распределением этих напряжений в нетронутом массиве. |
3. |
В зоне опорного давления II породы испытывают дополнитель |
ные, напряжения сжатия, но величина деформаций их незначительна, так как массив находится во всестороннем напряженном состоянии.
В зоне разгрузки лежачего бока I породы, расслаиваясь и про гибаясь, выдавливаются в сторону выработанного пространства,
вследствие чего прочность их в этой зоне уменьшается. Значитель ному ослабленшо массива также способствует густая сеть подготови тельных выработок, область нарушения от которых затрагивает 30—40% вмещающей толщи пород лежачего бока. В результате приконтактная часть слоев пород лежачего бока в зоне III теряет опору и получает возможность сдвижения по слабым контактам
внаправлении падения слоев пород, т. е. по напластованию.
4.В сдвигающейся толще пород лежачего бока выделяются две характерные зоны:
а) зона трещин и террас, где сдвижение происходит с большими скоростями (50— 120 мм/месяц). Эта зона включает приконтактную
часть пород лежачего бока (см. рис. 19). Мощность зоны зависит в основном от мощности малоустойчивых (сравнительно менее устой чивых, чем другие породы) гидрогематитовых роговиков. По мере опускания очистных работ граница зоны трещин и террас в массиве пород распространяется на более глубокие горизонты без замет ного удаления от границ выработанного пространства. Ширина зоны на отдельных рудниках мало изменяется с увеличением глу бины и может быть принята постоянной. На земной поверхности зона проявляется в форме образования постоянно увеличивающихся трещин и террас. Сооружения на земной поверхности и подземные горные выработки, попадающие в эту зону, разрушаются;
б) зона плавных сдвижений, располагаемая за зоной трещин и террас. Ширина зоны с течением времени и увеличением глубины разработки увеличивается. Скорости сдвижений в этой зоне на раз ных рудниках различны. Наибольшие скорости оседаний составляют на руднике им. Дзержинского 4 мм/месяц, на руднике им. Комин
терна — до 0,8 мм/месяц, |
а на |
шахте «Центральная» рудника |
им. Фрунзе — практически |
равны |
нулю. |
Скорости сдвижений отдельных слоев в зоне плавных сдвижений по мере удаления от зоны трещин и террас уменьшаются до нуля. Несмотря на сравнительно малые скорости сдвижений, в этой зоне со временем появляются деформации, превышающие критические значения, опасные для зданий, сооружений и подземных горных выработок.
5. Для определения ширины зоны опасных сдвижений т' в за висимости от глубины разработки Н выведены эмпирические за висимости:
для рудника им. Дзержинского т' — 25 + 1,5 1f Н\ для рудника им. Коминтерна т' = 15 -f- 1,2 1ГИ.
Зона опасных сдвижений включает зону террас и трещин и зону плавных сдвижений без видимых трещин. В зоне плавных сдвиже ний скорость нарастания горизонтальных деформаций растяжения, наиболее опасных для сооружений, составляет 0,5—1 мм/м в год. Плавное и медленное нарастание деформаций позволяет продлить срок эксплуатации сооружений, попадающих в эту зону, путем при менения защитных конструктивных мероприятий.
6. Сохранность подземных горных выработок в зоне плавных сдвижений различна. В ортах и квершлагах появляется сеть трещин в бетонной крени, не нарушающая их нормальную эксплуатацию. Штреки, оказываясь в зоне повторного сжатия, начинают интенсивно разрушаться, особенно на двухпутевых участках, закрепленных монолитной бетонной крепыо. Для обеспечения длительной сохран ности полевых штреков (порядка 6—8 лет) их необходимо распола гать за границей зоны опасных сдвижений, определяемой по выше приведенным зависимостям, или применять специальные виды подат ливой крепи.
7. Скорости сдвижений отдельных точек в зоне плавных сдви жений остаются практически почти постоянными в течение всего периода развития процесса. Однако в результате резкого повышения интенсивности отработки отдельных участков (например, предохра нительных целиков) возможно некоторое увеличение скоростей сдвижений не только в зоне трещин и террас, но и в зоне плавных сдвижений.
Увеличению скоростей сдвижений может также способствовать обводнение рыхлых отложений (наносов) и коренных пород, которое существенно снижает их прочностные характеристики. Поэтому при охране сооружений необходимо предусматривать ликвидацию всех источников обводнения.
§6. Классификация месторождений и основные параметры процесса сдвижения, принятые в Правилах охраны
сооружений
Вновых Правилах охраны сооружений 1967 г. представлена простая и удобная для пользования классификация месторождений Криворожского бассейна (см. табл. 2 и 3), в которой все залежи разделены на три основные группы в зависимости от формы и ха рактера проявления процесса сдвижения земной поверхности.
Втабл. 3 приведены основные параметры процесса сдвижения при разработке пластообразных залежей II группы. Значения уг лов сдвижения и разрывов даны для средней и большой глубины
разработки, когда процесс сдвижения получает полное развитие. К числу основных параметров процесса сдвижения, необходимых для построения границ зон опасных сдвижений и границ предохрани тельных целиков, кроме общепринятых— углов сдвижения и уг лов разрывов, для Криворожского бассейна необходимо отнести углы воронкообразования, линии сдвижения и линии разрывов. Углы воронкообразования являются основным параметром для по строения границ зон опасных влияний при разработке залежей ограниченных размеров по простиранию (I группа). В некоторых случаях, особенно при совместной разработке залежей открытым и подземным способом, необходимо из общей мульды сдвижения от разработки залежей II группы выделить наиболее опасную ее часть — зону воронок. Это делается с помощью углов воронкообразования.
Под |
Рудник |
Залежь |
группа |
Им. Дзержинского |
Восточная |
|
|
|
|
|
|
Основная и Подаркозовая |
|
||||
Им. Кирова |
Объединенная |
|
|
|
|
|
Им. К. Либкнехта |
Основная № 95 |
|
|
|
|
|
Им. Коминтерна |
Комплекс залежей |
II |
|
Саксаганского |
||
Им. Фрунзе |
|
|||||
Им. X X Партсъезда |
□ласта |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Им. Р. Люксембург |
|
|
|
|
|
|
Ингулец |
Восточная |
|
|
|
|
|
Им. Ильича |
Рахмановская |
|
|
|
|
|
п 2 |
Западно-Ингулецкая мульда |
|
||||
Восточно-Иигулецкая мульда |
|
|||||
|
Червоный пласт**** |
|
|
|
||
Им. К. Лпбкнехта |
Червоно-Компаиенекий пласт |
|
||||
Им. Фрунзе |
Глееватский пласт |
|
|
|
|
|
Ингулец |
Замыкание |
пласт |
(в |
районе |
балки |
|
Им. Ильича |
Червоный |
|||||
Им. Кирова |
Червоная) |
|
|
|
|
|
Тарапаковский пласт |
|
|
|
|||
* Только до глубины разработки |
Н = 800—900 jit, когда имеются |
большие |
без руд |
|||
** Падение принято условно на восток, граница зоны опасных сдвижений с запад |
||||||
ния Pj = 45°, а граница зоны трещин и террас контактом неустойчивых |
охристых |
сланцев |
||||
*** Граница зоны опасных сдвижений лежачего бока |
определяется |
контактом джес |
||||
с джеспилитами. |
|
|
|
|
|
|
**** Кроме района балки Червоная.
Угол |
Коэффициент |
|
крепости пород |
||
падения |
|
|
висячего |
|
|
бока |
|
|
залежи, |
висячего |
лежачего |
град |
||
|
бока |
бока |
45-60 |
5—12 |
1 |
00 |
||
60-75 |
5-12 |
СО |
|
|
1 |
40-50 |
5—12 |
6-8 |
50-70 |
5—12 |
6-8 |
35-45 |
5—10 |
6-10 |
45—60 |
5-10 |
6-10 |
50-60 |
5-14 |
6-10 |
50-70 |
5-14 |
6—10 |
55-60 |
8—12 |
6—12 |
55—65 |
8—12 |
6—12 |
80-90 |
5-16 |
2-18 |
60-80 |
5-16 |
2-18 |
65-80 |
2—16 |
10-12 |
20—60 |
2—4 |
10—12 |
20-60 |
2 -4 |
10—12 |
55—65 |
2—4 |
4-10 |
50-60 |
2 -4 |
10—14 |
55-70 |
2 -4 |
8-12 |
55-70 |
2—16 |
10-12 |
55-65 |
2—4 |
4-10 |
55 |
2 -4 |
10-12 |
Углы |
Углы |
Мощность сдвигающейся |
|
сдвижения, |
разрывов, |
пачки пород |
|
град |
лежачего бока, м |
||
град |
|||
|
|
50 |
1 |
50 |
|
|
|||
45 |
|
45 |
|
60 |
|
60 |
|
50 |
|
50 |
|
60 |
80 |
60 |
|
50 |
|
50 |
|
50 |
|
50 |
|
50 |
|
50 |
|
50 |
|
50 |
|
60 |
; |
60 |
|
|
|
||
45 |
1 |
45 |
|
|
|||
45 |
|
45 |
|
40 |
|
45 |
|
45 |
75 |
50 |
|
45 |
50 |
||
45 |
|
50 |
|
45 |
|
50 |
|
45 |
|
50 |
|
30 |
|
35 |
|
35 |
65 |
40 |
|
35 |
40 |
||
|
|
тп' |
|
|
11 |
|
4 |
|
1,5 VH |
• 25 |
||
■ 25+ |
|||
|
|
1 |
|
* 25- j“ I j 5 H ■ 25 |
|||
1 80 |
0* |
0* |
|
15+ |
1,2 V H |
15 |
|
15+ |
1,2 VH |
15 |
|
|
15 |
15 |
|
|
10 |
10 |
|
|
10 |
10 |
|
|
** |
** |
|
* * * |
* * * |
||
|
|
' |
|
75 |
|
|
|
|
0 |
0 |
|
1 |
|
|
|
65 |
|
|
ные участки; ной стороны определяется от нижней границы выработанного пространства >глом сдвнже-
с джеспилитами.
пилитов с роговиками, а граница зоны трещин и террас— контактом охристых сланцев
В ранее действовавших в Криворожском бассейне Правилах ох раны сооружений не учитывалось влияние угла падения рудных залежей на величину углов р и р ". В этом отношении они расходились с Правилами охраны сооружений по другим как рудным, так и уголь ным месторождениям, где эта зависимость фиксировалась достаточно определенно. Объясняется это прежде всего тем, что на величину углов сдвижения и разрывов в условиях Криворожского бассейна оказывает влияние большое количество факторов, а углы падения большинства рудных залежей изменяются в небольших пределах и установить их влияние на углы сдвижения к тому времени не пред ставилось возможным. Дальнейшие исследования позволили уста новить для II группы залежей эмпирическую зависимость величины угла разрывов от угла падения налегающих пород и их угла внутрен него трения
|
P" = Pcp-M5°*cosacp, |
(6) |
где рср — средневзвешенное по мощности отдельных разностей |
зна |
|
чение угла |
внутреннего трения пород висячего |
бока; |
аср — средний угол |
падения пород висячего бока. |
|
Сравнение вычисленных по этой формуле значений углов разры |
вов с фактическими показывает хорошую сходимость результатов; отклонения в большинстве случаев не превышают ± 3 —5°. Формула в простой форме дает зависимость угла разрывов от двух факторов: угла падения и механической характеристики пород, которые срав нительно легко могут быть определены. Формула не может быть использована для условий разработок на верхних горизонтах, т. е. когда процесс сдвижения пород висячего бока еще не получил пол ного развития, а также при наличии в массиве тектонических на рушений или хорошо развитых систем трещин с углами падения, близкими к углам разрывов.
Существенным недостатком определения угла разрывов (5 " по вы шеприведенной зависимости является ТО, Что при этом необходимо точно знать геологический разрез и значение углов р. Поэтому в Правилах охраны (см. табл. 3) значения углов р и р ", установлен ные непосредственными инструментальными наблюдениями, при ведены для всех залежей. Но при изменении элементов залегания рудного тела или вовлечении в сдвижение толщи пород с резко отличающимися прочностными характеристиками эти углы могут ока заться неверными. В таких случаях рекомендуется углы Р" опреде лять по формуле (6).
Выше мы рассмотрели значения углов сдвижения и разрывов в висячем боку месторождений в главном сечении мульды сдвиже ния, где эти углы имеют минимальные значения. К торцам залежей или к границам отработки по простиранию, в результате бокового защемления слоев налегающих пород, происходит увеличение углов сдвижения р и углов разрывов р ". В новых Правилах охраны для Кри
ворожского |
бассейна даны рекомендации по построению границ |
зон опасных |
сдвижений на торцах месторождений. |
Для построения границ зон опасного влияния в лежачем боку залежей II группы в Правилах охраны сооружений 1967 г. вместо углов и Р" введены понятия линии сдвижения и линии разрыва. Это вызвано прежде всего тем, что изученность процесса сдвижения лежачего бока уже на данном этапе позволяет определять поверх ности сдвижений в массиве пород. Поскольку сдвижение происходит по напластованию пород, а контакты последних па вертикальном разрезе вкрест простирания не являются прямыми линиями, то определять границы зон углами будет неправильно.
Линиями сдвижения и разрыва в коренных породах лежачего бока называются линии, проведенные вдоль контактов пород лежа
чего бока залежей или по |
тектоническим разрывным |
нарушениям |
на расстоянии от нижней |
границы выработанного |
пространства, |
равном соответственно величине зоны сдвижения т! и величине зоны трещин и террас т" (см. рис. 9). Значения т' и пг" зависят от горно геологических условий и для конкретных залежей II группы при ведены в табл. 3.
Глава III
РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ НА УРАЛЬСКИХ МЕДНОКОЛЧЕДАННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ
§ 7. Краткая характеристика месторождений
Большинство уральских медноколчеданных месторождений при урочено к породам зеленокаменной полосы восточного склона Ураль ского хребта. Вмещающими породами являются преимущественно метаморфические сланцы (кварцево-серицитовые, кварцево-хлорито вые и др.), порфириты и альбитофиры. Месторождения представлены пластообразными и линзообразными рудными залежами. Рудные тела и вмещающие породы всегда залегают согласно; плоскости сланцеватости пород параллельны контактам рудных тел.
Длина рудных тел обычно составляет 50—200 м, реже 300— 500 м; как исключение, Западная жила Северо-Карабашского место рождения имеет длину 1300 м и рудное тело Дегтярского месторо ждения — 4800 м. Мощность рудных тел обычно не превышает 15— 20 м и лишь в отдельных случаях она увеличивается до 50—70 м. Падение крутое 45—90°. Глубина выклинивания месторождений составляет 400—500 м, иногда достигает 1000 м. Залежи предста влены сплошными и вкрапленными рудами. Коэффициент крепости руд и боковых пород по шкале М. М. Протодьяконова / = 3 20.
В верхних частях некоторых месторождений породы лежачего бока у контакта с рудным телом сильно разрушены и иногда превра щены в рыхлую массу с коэффициентом крепости 1—2; мощпость их 70—100 м. Контакты сплошных руд с вмещающими породами хорошо выражены. Вкрапленные руды, как правило, резких контактов
не имеют. Как руда, так и вмещающие породы имеют неодина ковую устойчивость. На одних месторождениях породы висячего бока допускают устойчивые обнажения до 1000—2000 м2 (Дегтярское, Красногвардейское и Пышминско-Ключевское), на других — обнажения свыше 50—100 м2 являются уже неустойчивыми (Карабашское). Устойчивые обнажения руды варьируют в широких пределах — от 10 до 500 м2. Устойчивость вмещающих пород за висит от степени окварцованности, трещиноватости и обводненности, а также от характера рассланцоваиности их.
Все месторождения разрабатываются подземным способом. На чиная с 1936 г. основными системами разработки являются системы с обрушением (слоевое и подэтажное), на долю которых приходится 40—60% добычи. Эти системы, особенно система слоевого обрушения, широко применяются как для выемки междукамерных и между этажных целиков, так и для сплошной отработки залежей в нисхо дящем порядке. Системы с закладкой (с креплением и без крепления) и с магазинированием руды в основном применялись для выемки камерных запасов при комбинированном методе. Большая часть пустот, образованных применением системы подэтажных штреков и системы с магазинированием руды, заложена породой или грану лированным шлаком. В настоящее время наибольший удельный вес имеют системы: иодэтажное обрушение с увеличенной высотой подэтажа, подэтажные штреки (орты) и слоевое обрушение. Системы с закладкой и магазинированием руды имеют ограниченное применение.
Начало исследований по сдвижению горных пород на медных рудниках Урала относится к 1929—1930 гг. До 1940 г. наблюдения на станциях выполнялись маркшейдерами рудников и сотрудниками Уральской группы ЦНИМБ. Научное руководство работами осу ществляли В. Т. Григорович и Д. В. Машлаков. В период 1941 — 1949 гг. несистематические наблюдения на отдельных рудниках проводились местными маркшейдерами. К этому же периоду отно сятся первые попытки обобщения результатов наблюдений, выпол ненные И. А. Блашкевичем (1947 г.) и Л. В. Ходовым (1949 г.). С 1949 по 1956 г. большой объем исследований выполнен под руко водством Г. Т. Нестеренко сотрудниками института Унипромедь: М. Г. Пантелеевым, Г. Г. Поляшовой, Б. А. Вольхиным, В. Г. Туринцевой и маркшейдерами рудников: В. М. Запольским, С. А . Эйсак, А.- И. Лебедевым и др. В 1956 г. были обобщены результаты исследо ваний и составлен проект Правил охраны сооружений, утвержденных в 1960 г. В настоящее время исследоваиия в меньшем объеме про должаются В. Г. Туринцевой и Р. Ф. Крушатииым под руковод ством М. Г. Пантелеева.
§ 8. Месторождения с неслоистым строением вмещающих пород
Все уральские медные месторождения для удобства анализа можно разделить на два основных типа [49]: со с л о и с т ы м строением вме щающей толщи пород и с н е с л о и с т ы м и вмещающими породами.
Фроловское месторождение Турьинского медного рудника отно сится ко второму типу и состоит из пяти гнезд сульфидной и вкрап ленной медной руды, имеющих линзообразные или штокообразиые формы весьма сложной морфологии. Залежи сульфидных медных руд приурочены к контакту известняков со скарнами, а залежи вкрапленных руд — к контакту скарнов с диоритами. Самым круп ным рудным телом на Фроловском месторождении является гнездо № 5 вкрапленной руды, имеющее протяженность по простиранию 350 л и по падению 300 м. Мощность рудного тела колеблется от 30 до 1,5 м с выклиниванием по падению. Падение в среднем
составляет |
70—75° с |
выполаживанием на |
верхних горизонтах |
|||
до 50°. |
|
|
|
|
|
|
Лежачий бок месторождения до гор. 173 |
представлен кон |
|||||
тактовыми |
порфиритами |
с |
коэффициентом крепости |
по шкале |
||
М. М. Протодьякоиова |
/ = |
3 |
6, ниже — гранатовыми |
скарнами |
||
с / = 8 ч- 12. Висячий |
бок |
до гор. 95 м сложен разрушенными |
скарнами с / = 6 ч- 8, ниже — трещиноватыми мраморизоваипыми известняками. До глубины 100 м боковые породы значительно ослаблены сильно развитой трещиноватостью. G увеличением глу бины крепость и устойчивость пород повышаются.
Как по простиранию, так и по падению гнезда разбиты на от дельные рудные тела, которые разобщены между собой нерудными мощными толщами весьма устойчивых и крепких пород с / = 8 ч- 12» Относительно небольшие размеры залежей по простиранию» наличие значительного количества рудных целиков и безрудных участков в выработанном пространстве, малая выемочная мощность рудных тел и довольно устойчивые боковые породы явились причи ной того, что до 1939 г. на руднике не наблюдалось видимых приз наков сдвижения горных пород. В последующие годы сдвижение горных пород на этом руднике было вызвано влиянием разработки мощных (до 40 м) залежей вкрапленных руд на небольшой глубине (не более 100 м) с применением систем с обрушением и систем с зак ладкой. На земной поверхности оно проявилось в образовании
провалов и трещин.
Наблюдения за сдвижением земной поверхности были органи зованы в 1940 г. после появления первых видимых признаков сдви жения поверхности на участке расположения технических сооруже ний рудника. Институтом Унипромедь исследования на руднике были начаты в 1955 г. по четырем наиболее характерным профиль ным линиям и периодически продолжались до 1965 г. При опреде лении значений углов сдвижения и разрывов на месторождении были проанализированы результаты наблюдений прежних лет и богатый фактический материал маркшейдерского отдела рудника в виде вертикальных разрезов с нанесенными на них трещинами и конту рами выработанного пространства. Углы сдвижения и углы разры вов, построенные с глубины 50—110.W, оказались равными: р = 40°;
Pi = |
50°; Ô = |
60°; Р" = |
р" = Ô" = |
60°. С переходом очистных ра |
бот |
на более |
глубокие |
горизонты |
(170— 190 м) за зоной трещин |
на поверхности не было отмечено появления критических деформа ций (рис. 20), а углы сдвижения изменили свое значение в сторону увеличения, приблизились к углам разрывов и оказались равными Р" = = 56 -5-57°.
Глубина очистных работ на отдельных участках месторождения достигла 425 ж. Отношение длины выработанного пространства L
|
|
|
Рис. |
20. |
Сдвиже |
||
|
|
|
ния |
земной |
по |
||
|
|
|
верхности по |
про |
|||
|
|
|
фильной |
|
линии |
||
|
j-j-i |-г| Известняки |
№ 18 Фроловского |
|||||
|
|
рудника: |
|||||
|
|
|
|
||||
|
Диориты |
о — |
горизонтальные |
||||
|
деформации; б — вер |
||||||
|
|
|
тикальные |
сдвиже |
|||
|
|
|
ния; |
в — вертикаль |
|||
Гор. Шм |
|
|
ный разрез J— 1955г.; |
||||
|
|
г — 1957 |
г.; |
|
3 — |
||
|
|
|
1958 г.: 4 — |
1965 г. |
|||
к глубине работ Н составляло на горизонтах: 170 ж — 1,18; 250 |
|
ж — |
|||||
1,8; 270 ж — 1,4; 350 ж — 1,45; 390 ж — 1,3, т. е. во всех |
случаях |
||||||
больше единицы. Минимальное значение |
= 1,18 |
относится |
к го |
||||
ризонту 170 ж. Вблизи от поверхности L — 285 ж, |
а на горизонте |
||||||
170 ж — 200 ж. Уменьшение |
выработанного |
пространства |
по |
|
про |
||
стиранию, наличие большого |
количества целиков |
(рудных и |
без- |
рудных), уменьшение средней мощности с 13 до 6 ж явились основ ными причинами замедления и прекращения развития процесса