книги / Основы механики горных пород

зультате одновременной реализации скола по поверхностям трещин /, II и III (рис. 73) при условии, что по верхней его грани происходит отрыв.

При отсутствии экспериментальных данных глубина зоны нарушенных пород может быть приближенно оценена по фор­ муле из работы [87]

	hu = Kb0,	(175)
где Ь0— пролет	выработки; К — безразмерный	коэффициент,
зависящий от	крепости пород (табл. 8).

Рассмотренные подходы к расчету зон разрушения в мас­ сиве пород вокруг выработок можно применять в случаях, когда породы склонны к хрупкому разрушению.

§52. ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ

ИОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ

ВЫБОРА ВИДА КРЕПИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Под управлением горным давлением обычно понимают совокупность мероприятий по регулированию горного давления и сдвижения горных пород, окружающих горные выработки, в целях обеспечения их безопасной эксплуатации и создания необходимых условий ведения технологических процессов до­ бычи полезных ископаемых.

Задачи управления горным давлением в капитальных и под­

готовительных выработках включают в себя:			к форме, разме­
а)	обеспечение необходимых требований
рам	поперечных	сечений и сохранности выработок во времени
с точки зрения		технологии добычи полезных	ископаемых;

б) обеспечение безопасных условий работы людей и меха­ низмов на протяжении всего срока эксплуатации выработок;

в) выбор наиболее экономичных мероприятий по повыше­ нию устойчивости выработок и их поддержанию.

Мероприятия по управлению горным давлением должны быть направлены на снижение действующих напряжений в мас­ сиве пород и на повышение деформационной способности и прочностных характеристик приконтурной части массива [161].

Горные работы стремятся развивать таким образом, чтобы исключить возможность опасных концентраций напряжений в приконтуриых частях массива. Поэтому расстояние между выработками (размеры целиков) выбирают так, чтобы не было наложения зон их влияния.

Выработкам придают наиболее устойчивые формы попереч­ ных сечений, которые определяются как видом и параметрами напряженного состояния массива пород, так и его структур­ ными особенностями. При этом необходимо подчеркнуть, что существенное повышение устойчивости выработок (в частности,

вертикальных) достигается также и при правильном выборе пространственной ориентации сечения относительно компонент начального поля напряжений и структурных неоднородностей массива.

Для горизонтальных выработок устойчивые формы попереч­ ных сечений следует выбирать так, чтобы исключить зоны рас­ тягивающих напряжений в кровле, которые также определя­ ются видом и параметрами начального поля напряжений. Од­ нако существенно больший эффект достигается при нахождении их оптимального направления в пространстве относительно структурных особенностей. Приемы нахождения оптимальной ориентации выработок в массиве скальных пород детально из­ ложены в работе [59]. Особенно существен эффект для подзем­ ных сооружений различного назначения, где наблюдается от­ носительно большая свобода в выборе пространственного рас­ положения выработок по сравнению с условиями разработки месторождений полезных ископаемых.

Изменение напряженного состояния пород вокруг вырабо­ ток может быть достигнуто также за счет применения мощных распорных крепей, способных оказывать значительные проти­ водавления на окружающий выработку массив. При этом резко изменяются условия деформирования пород. Даже весьма не­ больших усилий, развиваемых распорными крепями, часто бы­ вает вполне достаточно для того, чтобы значительно повысить прочностные характеристики массива пород вследствие дефор­ мирования их в условиях объемного, а не плоского напряжен­ ного состояния.

Аналогичную роль оказания противодавления на породы приконтурного массива выполняют буровые растворы при про­ ведении и поддержании буровых скважин, которые по ряду своих характерных признаков могут служить в известном смысле моделями горных выработок. При этом весьма сущест­ венно то, что плотность бурового раствора, а следовательно и противодавление, оказываемое им на породы в стенках сква­ жин, должны тесно увязываться с начальным полем напря­ жений в массиве и свойствами пород. Пример такой увязки представлен в работе [59] для условий одной из глубоких сква­ жин, пробуренных на Кольском полуострове.

К мероприятиям, направленным на максимальное использо­ вание несущей способности пород, относятся прежде всего способы проходки выработок, обеспечивающие минимальное разрушение пород вокруг выработок, в частности ведение взрывных работ методом контурного взрывания, проведение вы­ работок бурением на полное сечение и др.

В практике горного дела распространены также способы ис­ кусственного упрочнения пород вокруг выработок. К ним отно­ сится тампонирование пород, в частности цементация и укреп-

Рис.		74. Зависимости			нагрузок на	Р
крепь от деформационных харак­
теристик пород на контуре выра­
		ботки и крепи.'
1—2 — характеристика				деформирования
пород на контуре выработки до и пос­
ле	установки		штанговой		крепи.
У,	УУ— характеристики				деформирова­
ния		крепей	различных		конструкций;
I II —- характеристика				деформирования
		штанговой		крепи.

ление трещиноватых массивов, глинизация пород, а также установка анкерной крепи, выполняющей функции скрепляющей арматуры. Все эти способы позволяют повысить сцепление по­ род в массиве.

В некоторых случаях бывает достаточно повысить прочность вмещающих пород лишь на сравнительно короткий период вре­ мени, до возведения постоянной крепи. С этой целью исполь­ зуют специальные способы проведения выработок с заморажи­ ванием пород или кессонные способы. К этому следует доба­ вить, что в ряде случаев необходимо предотвращать изменение свойств пород приконтурного массива под влиянием агентов выветривания. С этой целью в выработках применяют изоли­ рующие виды крепи — монолитные бетонные, набрызгбетонные и др.

Из всех перечисленных способов повышения устойчивости выработок наибольшее применение имеет возведение в выра­ ботках того или иного вида крепей.

Рассмотрим взаимодействие крепи горных выработок с мас­ сивом окружающих пород более детально. Крепь горных вы­ работок следует рассматривать как активный элемент системы «крепь—массив», состояние которой (в том числе и напряже­ ния в крепи) определяется в равной степени деформационно­ прочностными характеристиками как массива окружающих выработку пород, так и самой крепи [117]. Это наглядно может быть показано на графике (рис. 74), где координаты точек пе­ ресечения деформационных характеристик крепи с кривой де­ формирования породного контура выработки определяют зна­ чения нагрузки иа крепь Р и смещения и поверхности выра­ ботки и самой крепи при достижении состояния равновесия. Очевидно, при более жестких характеристиках крепи (напри­ мер кривая III) точка пересечения на графике будет распола­ гаться выше, а следовательно, нагрузка на крепь будет больше.

При этом необходимо подчеркнуть, что если издавна приме­ няемые деревянные, каменные, бетонные, железобетонные и тю­ бинговые крепи непосредственно не изменяют деформационно-

Рнс. 75. Схемы режимов взаимодействия крепи					выработок		и массива		окру­
	жающих пород.
Режим: о —заданной нагрузки на	крепь		[Я—Р\	Д/=/(Р)=/|(Я); Af			не влияет		иа	Р];
б —заданной деформации {R практически			не влияет		на	A/i); в — взаимовлияющей				де­
формации крепи и массива [A/=/(Q, R)]\		г — комбинированный [A/=f(P, Q, R)].
Q н R — сопротивление соответственно		пород и		крепи; Р — вес отделившихся объемов
пород; q — напряжения в массиве				пород	вокруг выработок.
прочностных свойств пород,		окружающих				выработки,		а	лишь
в определенной степени	ограничивают				их деформации			и пред­

отвращают разрушение, то различные виды анкерной крепи значительно повышают предел прочности на растяжение и сцепление пород в приконтурной части массива вследствие вве­ дения в породы металлической арматуры и заполнения рас­ крытых трещин бетоном при железобетонных штангах (на рис. 74 кривая деформирования пород после установки штанго­ вой крепи смещается вверх). Этим в первую очередь и объяс­ няется эффективность анкерной крепи, ее быстрое и широкое распространение в горной практике.

Взависимости от характера взаимодействия крепи и пород (рис. 75) выделяется несколько режимов [30].

Вчастном случае крепь выработки может быть загружена отделивши­ мися от массива пород небольшими объемами. При этом смещения крепи практически не будут влиять на нагрузки на крепь. Подобный режим на­ зывают режимом заданной нагрузки (рис. 75, а).

Если же реактивное сопротивление крепи практически не влияет на

перемещения поверхности соприкосновения крепи с породой, такое взаимо­ действие называют режимом заданной деформации (рис. 75, б). Оно ха­

рактерно для участков выработок, подверженных высоким напряжениям, например в зонах опорного давления.

Наиболее часто крепи подготовительных и капитальных выработок на­ ходятся в режиме взаимовлияющей деформации (рис. 75, в). Смещение

поверхности соприкосновения крепи с породой зависит в этом случае от сопротивления крепи.

Наконец, в практике возможны случаи, когда крепь работает в комби­ нированном режиме, например, одновременно в условиях взаимовлияющей деформации и заданной нагрузки (рис. 75, г).

Выделение основных режимов взаимодействия крепи и массива пород позволяет в каждом конкретном случае определять наиболее вероятный ре­

жим работы крепи и в соответствии с этим рассчитывать и выбирать ее параметры. Например, как показывают результаты исследований устойчи­ вости капитальных и подготовительных выработок в условиях скальных тре­ щиноватых массивов [59], крепи выработок в этом случае, как правило, ра­ ботают в режиме заданной нагрузки и испытывают незначительное давле­ ние от структурных блоков или их частей, потерявших связь с массивом в результате скола или отрыва по поверхностям естественных трещин. На основании проведенного изучения условий и режима работы крепи было ус­ тановлено [59], что крепь в таких условиях должна удовлетворять требо­ ваниям:

а) быть не грузонесущей, а ограждающей конструкцией, предотвращаю­ щей образование заколов и выпадение породы в выработку;

б) предохранять стенки от выветривания, так как при выветривании ус­ коряются процессы разрушения приконтурного массива пород;

в) обеспечивать упрочнение связей между отдельными блоками массива. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяет комбинированная крепь из железобетонных анкеров с набрызгбетонным покрытием стенок и кровли

выработок.

Глава 10. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД И ПРОЯВЛЕНИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ВОКРУГ ОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТОК

§ 53. ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ И ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ В ОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТКАХ

Выработки, образуемые в результате непосредственной выемки полезного ископаемого при его разработке, называют очистными. По сравнению с подготовительными и капиталь­ ными очистные выработки обладают некоторыми особенно­ стями. Важнейшими из них являются значительно большие размеры поперечных сечений, непрерывное движение забоя, обусловливающее постоянное изменение поля статических на­ пряжений вокруг выработки, а также существенно меньшее время эксплуатации. Эти особенности очистных выработок оп­ ределяют в свою очередь и специфические проявления горного давления в них.

Выше отмечалось, что тот или иной вид проявлений горного давления зависит как от действующих напряжений, так и от деформационных характеристик массива горных пород.

Значительные размеры сечений очистных выработок опреде­ ляют увеличение зоны неупругих деформаций вокруг них по сравнению с капитальными и подготовительными выработками. В результате этого в процессе деформирования пород вблизи очистных выработок повышается влияние неоднородностей (крупноблоковой трещиноватости, геологических нарушений

и пр.), достаточно часто реализуются такие виды проявлений горного давления, как пластическое течение и вязкое дефор­ мирование. На угольных месторождениях нередко происходит плавное опускание кровли за забоем лавы. Подобные процессы могут иметь развитие и в массивах скальных пород, при опре­ деленных соотношениях между размерами структурных блоков и площадью обнажения пород в выработках [59].

При определенных условиях в очистных выработках прояв­

ляется		особый вид деформирования			горных	пород — пучение
почвы.		Природа	пучения различна:		иногда	она происхо­
дит	в	результате	выдавливания	из	почвы	пластичных по­
род	под воздействием опорного			давления,		развивающегося

в боках выработок, иногда — вследствие увеличения объема глинистых пород и уменьшения их прочности под влиянием воды. Наиболее часто оба эти фактора действуют совме­ стно.

Широко распространенным видом проявлений горного дав­ ления в очистных выработках является также обрушение пород при достижении некоторых критических размеров обнажений, определяемых в сущности теми же факторами — действующими напряжениями и свойствами деформирующейся области мас­ сива.

Наконец, при некоторых сочетаниях уровня действующих

напряжений и свойств пород в	очистных	выработках,	как и
в подготовительных, возможны	и упругие	деформации	кровли

ссохранением ее устойчивости либо с внезапным разрушением

вформе горных ударов.

Задачи управления горным давлением в очистных выработ­ ках, так же как в капитальных и подготовительных, заключа­ ются в обеспечении устойчивого состояния выработок (или

призабойного пространства)	в течение необходимого времени
их эксплуатации и выборе	наиболее экономичного, но вместе

с тем полностью обеспечивающего безопасность работающих людей способа поддержания и крепления выработанного про­ странства.

При этом специфика задач управления горным давлением в очистных выработках связана со сравнительно небольшим, как правило, сроком их эксплуатации и непрерывным подви­ га нием забоя. Вследствие этого в очистных выработках в отли­ чие от капитальных и подготовительных поддерживают обычно не всю отработанную площадь, а лишь часть ее в непосредст­ венной близости от забоя, ограниченно применяя мощные жесткие виды крепи. Относительно же легкие деревянные или металлические податливые крепи, штанговая крепь и пере­ движные механизированные крепежно-добычные комплексы, пе­ ремещаемые по мере подвигания забоя, находят весьма широ­ кое применение.

Для управления горным давлением в очистных выработках иногда используют закладку из пустой породы, которая под­ держивает кровлю очистных пространств или же уменьшает амплитуду смещения покрывающих пород. Аналогичную роль играет отбитая горная масса, магазинируемая в блоках при разработке крутопадающих рудных залежей. Оказывая про­ тиводавление на стенки очистных камер, замагазинированная руда и порода существенно изменяют условия деформирова­ ния массива пород в приконтурной области вокруг очистных пространств.

Но наиболее широко в качестве мероприятий по управле­ нию горным давлением используют полное обрушение пород над всем очистным пространством, за исключением призабой­ ной части. При этом преследуют двоякую цель. Во-первых, вы­ зывают искусственную разгрузку массива, в результате чего призабойная область освобождается от высоких статических на­ пряжений (опорного давления). Во-вторых, вследствие запол­ нения выработанного пространства устраняется опасность ди­ намических нагрузок в окружающем массиве и воздушной волны. Это создает возможность безопасного ведения горных работ в непосредственной близости от очистных выработок.

§54. ПРОЯВЛЕНИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

ВОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТКАХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ

СИСТЕМАХ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ И РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИИ

Формы и характер проявлений горного давления в очистных выработках весьма разнообразны (от небольших сдвижений и деформаций горных пород и полезного ископае­ мого до их разрушения и обрушения, от незначительных на­ грузок на крепь до полного вывода ее из строя) и зависят от многих факторов, в том числе от глубины разработки, струк­ туры и механических свойств горных пород, мощности и угла падения полезного ископаемого. Большое влияние на прояв­ ления горного давления оказывают производственно-техниче­ ские условия эксплуатации месторождений, характеризующиеся формой, размерами и расположением выработок, технологией ведения добычных работ, способом управления горным давле­ нием, скоростью подвигания забоев, видом крепи и т. д. Вме­ сте с тем со склонностью пород к тому или иному виду де­ формирования связаны выбор систем разработки месторожде­ ний и установление оптимальных параметров этих систем.

В гл. 9 были выделены три характерных типа проявлений горного давления в подготовительных выработках, физический смысл которых заключается в преимущественно упругом, пла­

стическом или вязком деформировании пород вокруг вырабо­ ток. Аналогичные типы проявлений горного давления могут быть выделены и при рассмотрении очистных выработок. Од­ нако количественные характеристики выделенных типов и формы проявлений горного давления в очистных выработках существенно отличаются от таковых в подготовительных выра­ ботках.

Общая картина процессов, происходящих в массиве пород вокруг очистной выработки, заключается в изменении поля статических напряжений и, как следствие этого, в деформиро­ вании окружающих пород. В первую очередь на контуре выра­ ботанного пространства и в окружающем массиве пород про­ исходят упругие смещения. В некоторых, правда весьма немно­ гочисленных, случаях указанными упругими смещениями процессы деформирования массива пород и исчерпываются. Од­ нако это может иметь место лишь при очень прочных породах и высокой степени монолитного массива, в частности при разра­ ботке некоторых рудных месторождений системами с откры­ тым очистным пространством, например камерными и камерно­ столбовыми системами.

Гораздо чаще в выработанном пространстве вслед за упру­ гими смещениями пород кровли и стенок развиваются неупру­ гие деформации и происходят локальные разрушения. Этому способствует развитие в окружающем массиве зон концентрации как сжимающих, так и растягивающих напряжений. В процессы деформирования вовлекаются большие объемы пород, а вслед­

ствие	этого — неоднородности низких порядков, по поверхно­
стям	которых массив наиболее ослаблен. В результате этого

в очистных выработках развиваются процессы обрушения по­ крывающих пород.

В практике разработки пластовых месторождений твердо укоренились понятия непосредственной и основной кровли и почвы пластов, отражающие различную способность пород к обрушению над очистным пространством.

Н е п о с р е д с т в е н н о й к р о в л е й называют малопрочный слой пород, залегающий непосредственно над пластом и не со­ храняющий, как правило, устойчивость в призабойном прост­ ранстве без крепи или целиков. Мощность непосредственной кровли определяется мощностью систематически обрушающихся в выработанном пространстве пород после переноски по­ садочной крепи. Шаг самопроизвольного обрушения непосред­ ственной кровли в несколько раз меньше шага обрушения ос­ новной кровли.

О с н о в н у ю к р о в л ю составляют более прочные залегаю­ щие над непосредственной кровлей слои пород, которые прихо­ дят в движение спустя некоторое время после обрушения непо­ средственной кровли, когда площадь очистной выемки, т. е.

Рис. 76. Обрушение основной кровли

над	очистной выработкой.
I — эпюры	опорного давления;	2 — уголь­
ный пласт;	3 — выработанное	простран­
	ство.

обнажение пород кровли, достигает соответствующих критиче­ ских размеров (рис. 76).

Вследствие отмеченной структурной особенности массивов пород пластовых месторождений, а именно наличия слоев по­ род с различной прочностью и сцеплением, наблюдается доста­ точно четкое соответствие между размерами очистных прост­ ранств и обрушающихся масс. Это обстоятельство используют в системах с обрушением пород при установлении оптималь­ ного шага обрушения. В некоторых горно-геологических усло­ виях отмеченное соответствие позволяет применять системы разработки с самообрушением пород позади забоя лавы.

Проф. А. А. Борисов различает два режима движения как непосредственной, так и основной кровли [143]:

а) режим начального движения, охватывающего период от

начала	проведения разрезной	печи до	первого обрушения
кровли	(непосредственной или	основной);	начинающегося, как
б) режим установившегося		движения,

правило, вслед за первым обрушением и продолжающегося до

окончания отработки	участка,	панели,	этажа.
В момент первого обрушения происходит				мгновенное изме­
нение характера и	значений	нагрузок	на	опорные целики,

почву, кровлю и крепь выработок. В этот период часто наблю­ дают сильную деформацию крепи, приводящую иногда к ее полному разрушению и завалу лав. После первого обрушения пролеты зависших пород кровли уменьшаются и условия ра­ боты крепи улучшаются.

Пролеты обрушений непосредственной и основной кровли по простиранию в соответствии с выделенными режимами на­ зывают шагом начального и шагом установившегося обруше­ ния. Первое обрушение основной кровли называют обычно ге­ неральным.

При первом обрушении трещиноватой кровли трещины раз­ рушения пересекают естественные трещины и располагаются в основном так же, как и в нетрещиноватых породах (т. е. в со­ ответствии с характером напряженного состояния). Пролет предельного обнажения трещиноватой кровли составляет при­ мерно 0,6—0,7 предельного пролета нетрещиноватой кровли.

При пересечении трещин, возникающих от подвижек пород, с кливажными и другими трещинами в кровле образуются от­ дельные глыбы, куски, отделяющиеся от остального массива и вываливающиеся в выработку. Это явление локальных обру­

шений пород носит название куполообразования или куполе-

ния кровли.

Обрушению кровли обычно предшествует треск ломающихся пород и крепи, вызываемый постепенно нарастающим давле­ нием. За несколько секунд до обрушения от кровли пласта на­ чинают отскакивать мелкие кусочки породы.

Иногда непосредственно над разрабатываемым пластом за­ легает легко обрушаюшийся слой пород небольшой мощности (до 0,5 м), носящий название л о ж н о й к р о в л и . Этот слой, как правило, обрушается сразу же после выемки пласта, и его удержание при помощи крепи представляет большие трудности. Обрушение ложной кровли («коржа») происходит вдоль забоя небольшими участками (длиной несколько метров и шириной 0,5—2 м).

Аналогично подразделению пород кровли выделяют также

непосредственную и основную почву. Н е п о с р е д с	т в е н н а я
по ч в а— слой пород, залегающий непосредственно	под пла­

стом или залежью. С ее свойствами связаны явления пучения, сползания при крутом падении и вдавливания в нее целиков или крепи. Часто в пределах непосредственной почвы выделяют ложную почву — слой легкоразрушающейся породы мощностью до 0,3—0,4 м на контакте с пластом или залежью. Толщу по­ род, залегающую ниже непосредственной почвы, называют о с н о в н о й п о ч в о й .

Магматические месторождения по сравнению с осадочными отличаются более сложной структурой. Вследствие этого формы и размеры вывалов и обрушений здесь более разнообразны. Со­ ответствие между размерами вывалов и площадью очистных пространств обычно менее заметно.

В условиях крутопадающих и наклонных месторождений при высоком уровне статических напряжений в массиве пород, в частности на больших глубинах, разрушения не только мо­ гут иметь место в кровле очистного пространства и в висячем боку, но захватывать и лежачий бок. Подобные явления, на­ пример, имеют место при разработке железорудных залежей Криворожского бассейна и угольных пластов в центральном районе Донбасса. Возможность разрушений вмещающих пород призабойной части очистного пространства вызывает необходи­ мость применения специальных мероприятий по их предотвра­ щению или локализации, чтобы обеспечить возможность нор­ мального ведения очистных работ. С этой целью во многих слу­ чаях разработку ведут системами с креплением или закладкой очистных пространств.

В определенных условиях при ведении очистных работ си­ стемами разработки с магазинированием функции закладоч­ ного материала выполняет также невыпущенная руда в отра­ батываемых блоках.