книги / Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках

применяемых на крутых пластах Прокопьевско-Киселевского рай­ она при слабых породах кровли. При этом нет необходимости оп­ ределять шаг обрушения кровли (при мощности пласта от 1,5 до 10 м).

Проведенные исследования позволяют перейти к расчету раз­ меров целиков, предохраняющих от провалов земную поверхность. Зная величину зоны обрушения, можно определить и размеры предохранительного целика, если известна зависимость между размерами предохранительного целика и высотой зоны обрушения.

5.4.4. Механизм образования провалов и расчет предохранительных целиков

Для объяснения механизма образования провалов при газифи­ кации крутых угольных пластов необходимо учитывать следующие исходные данные:

образование провалов земной поверхности возможно при на­ личии скатывания обрушенных пород и зависит от характера раз­ вития и величины зоны обрушения пород кровли;

высота зоны обрушения становится постоянной при выполне­ нии условия (5.21);

размер целика, при котором образуется провал, зависит от вы­ соты зоны обрушения;

при а/13> 2-т-З дальнейшее увеличение размеров выработки по простиранию не влияет на отношение размера целика к высоте зоны обрушения;

провалы образуются по слабому слою в толще пород, попадаю­ щей в пределы высоты зоны обрушения.

На основании этих данных рассмотрим характер деформации толщи пород при выемке угольного пласта по восстанию над вы­ работанным пространством от начала выемки пласта до образова­ ния провала.

1.На первом этапе выгазовываиия происходит прогиб слоев кровли над выработанным пространством, их обрушение и скаты­ вание обрушенных пород в нижнюю часть выработки.

Впроцессе отработки моделей было выяснено, что в этот пе­ риод обрушения распространялись с опережением забоя по сла­ бому слою в толще пород, попадающему в пределы высоты зоны обрушения. Это было связано с раздавливанием краевой части слабых слоев опорным давлением.

2.После увеличения размера выработки по восстанию до та­ ких пределов, когда начинает выполняться условие (5.21), при

дальнейшем подвнгании забоя развитие обрушений происходит в виде облома консоли пород, зависающих над забоем на полную высоту зоны обрушения.

3. При дальнейшем выгазовывании угольного пласта наступает такой момент, когда целик угля и пород, попадающих в пределы высоты зоны обрушения, достигает предельной величины, при ко­ торой происходит его разрушение и образование провала.

Как показали опыты на объемных моделях, образованию про­ вала предшествует отрыв целика от массива с образованием тре­ щин, оконтуривающих целик на поверхности модели.

После отрыва целика происходит его медленное перемещение по падению, разрушение породных слоев на отдельные блоки с обрушением их в выработанное пространство. Процесс разруше­ ния целика был подобен процессу куполения, который интенсивно нарастал во времени до обрушения поверхности. При этом разру­ шение целика в первую очередь происходило по слабым слоям пород. После образования провала по слабым слоям он может рас­ ширяться, если объем перепущенных в провальную воронку обру­ шенных пород и наносов недостаточен, чтобы подбутить осталь­ ную массу целика.

Наблюдения за сдвижением земной поверхности в районах об­ разования провалов показали, что образованию провала предше­ ствует увеличение величины и скорости оседаний земной поверх­ ности, что можно объяснить только отрывом и сползанием части массива пород, расположенных над выработанным пространством.

Рассмотрим, какие силы вызывают отрыв целика и его разру­ шение. Отрыв целика от остальной массы пород происходит от сил собственного веса пород целика, который при определенной высоте зоны обрушения становится больше сил, удерживающих его в состоянии равновесия.

Основными силами, препятствующими отрыву целика от пород­ ного массива, будут силы бокового давления со стороны пород ви­ сячего бока пласта и силы сцепления целика с массивом по кон­ тактам слоев.

Установлено, что выше зоны обрушения породные слои прогиба­ ются с образованием зоны сквозных трещин и после достижения сдвижением поверхности образуется вертикальная плоскость из­ лома пород (рис. 5.4).

Подобная плоскость излома пород наблюдалась и зарубежны­ ми исследователями при отработке крутых пластов [13].

В результате образования плоскости излома породные слои в зоне трещин не передают свою массу на породы, прилегающие к земной поверхности. Поэтому определение суммарного бокового давления на целик примем, исходя из массы пород в вертикаль­ ной плоскости излома (ДБВВ') и массы пород, прилегающих непо­ средственно к целику (ДАБВ).

Для расчета размеров предельно устойчивых целиков предста­ вим себе свободное пространство, образовавшееся в верхней части (по восстанию пласта) зоны обрушения, как некоторую горизон­ тальную выработку (рис. 5.5) неограниченно большой длины, ши­ риной 2 h+ m, проведенную на глубине Н от поверхности в мас­ сиве горных пород, и решим плоскую задачу (что имеем право сделать, так как размеры выработки по простиранию о не влияют на изменение размеров целика, если a jU > 2-г-З, где U — шаг обру­ шения кровли.

Составляющая собственного веса целика, направленная по на­ пластованию, равна

^уд=МопР. (5.28)

Подставляя в условие (5.28) значения МудиМОПризвыраже­ ний (5.27) и. (5.26), найдем размер целика в зависимости от вы­ соты зоны обрушения

= М о„р.

Сдвигающая сила Q=yh'l sin а. Сила треимя

2/?i/ + R->f= - {h 2sina / + yh' /cos a / =

= T^2==/V r3 (V I sin a. + cos a),

где f — коэффициент трения по контактам слоев. Коэффициент запаса на сдвиг

Минимальный коэффициент трения по контактам слоев для Кузбасса / = 0,6. Подставляя это значение в выражение (5.30), ви­ дим, что сдвигающие силы будут всегда меньше сил трения и что сдвиг целика под действием этих сил возможен при h'/(hh+m )<. <1,73.

Если при этом учитывать и силу сцепления по боковым грани­ цам целика, равную 2h'c (где с — сцепление по контактам слоев, МПа), то сдвига целика ожидать тем более не следует.

Следовательно, для расчета размеров предельно устойчивых целиков следует исходить из баланса опрокидывающего и удержи­ вающего моментов и пользоваться формулой (5.29).

В результате опытов на объемных моделях из эквивалентных материалов получена зависимость размера целика от высоты зо­ ны обрушения и мощности пласта (при Y I=Y2):

Сравнение формулы (5.31) с зависимостью (5.29) показывает хорошую сходимость результатов моделирования и расчета, под­ тверждая справедливость выбранного метода расчета.

Из формулы (5.29) следует, что размеры целика, при которых образуются провалы, не зависят от угла падения пласта для углов падения свыше 45°, когда возможен интенсивный перепуск обру­ шенных пород, так как опрокидывающий и удерживающий момен­ ты одинаково зависят от угла падения пласта.

Таким образом, задача расчета угольных целиков, предохраня­ ющих от провалов земную поверхность при разработке крутых пластов, сводится к достаточно надежному определению высоты зоны обрушения, так как размер целика h', при котором образуют­ ся провалы, находится в прямой зависимости от высоты зоны об­ рушенных пород кровли.

Подобный расчет целика может быть применен и при выемке пласта по падению и простиранию на верхних горизонтах систе­ мами с обрушением кровли, если возникает необходимость остав­ ления целика, предохраняющего от провалов. Для этого необхо­ димо обосновать максимально возможную высоту зоны обрушения для данного района.

Например, в Кузбассе по исследованиям ВНИМИ из 800 сква­ жин, пробуренных на выработанное пространство, 771 встретила зону обрушения на расстоянии от пласта до 0,4т, 26 скважин встретили зону обрушения на расстоянии от пласта до З т и толь­ ко 3 скважины — на расстоянии (3,5-1-4,5) m ( т — вынимаемая мощность пласта).

По данным А. С. Забровского, высота зоны обрушения в Куз­ бассе достигала (3,0-1-3,9)т , по исследованиям К. А. Ардашева, зона обрушения достигала величины 2,8т . Причем увеличение зо­ ны обрушения относилось к случаям, когда в кровле угольного пласта залегают нарушенные или очень слабые породы, на выше­ лежащем горизонте оставлялись целики или велись работы с пол­ ной закладкой и когда угол падения пласта был недостаточно кру­ тым.

Приняв для Кузбасса максимальную высоту зоны обрушения 5 т , получим достаточный запас прочности.

Тогда размер целика, предохраняющего от провалов земную поверхность в Кузбассе, может быть вычислен по выражению

Сравнение фактических размеров целиков, при которых обра­ зовались провалы, с расчетными данными (табл. 5.3) показывает, что примятый запас прочности по высоте зоны обрушения доста­ точен, так как даже в случае образования провалов по горелым породам, представляющим неустойчивую среду, вычисленные раз­ меры целиков несколько больше фактических.

Для оценки практического применения формулы (5.32) при расчете устойчивых предохранительных целиков необходимо учесть возможность влияния на размеры целика факторов, являющихся

специфичными для подземной газификации углей. К мим относят­ ся прогрев угольного целика и пород, вспучивание горных пород при высоких температурах, влияние зольного остатка.

Прогрев угольного целика и пород до температур, влияющих на их прочность, происходит на 1,5—3,5 м выше огневого забоя.

При газификации пластов мощностью 2—15 м эта величина

*Оставленный целик состоял из пород «горельннков».

**Провалов поверхности не наблюдалось.

по отношению к размеру предохранительных целиков составит 2—8%. Поэтому запас прочности может быть учтен коэффициен­ том 1,1. Коэффициент вспучивания горных пород составляет для различных песчаников 1,0—1,1, для алевролитов 1,0—1,25 (иногда 1,3—1,5 в зависимости от соотношения SiC>2 и ЕегОз).

Казалось бы, что такое вспучивание пород должно сильно вли­ ять на увеличение объема обрушенных пород (коэффициент раз­ рыхления). Коэффициент разрыхления обрушенных пород на уча­ стке газификации угля при отработке мощного пласта составил в среднем 1,2 (изменяясь в пределах 1,12—1,45), а при шахтных от­ работках он достигал величин 1,3—1,5. Это объясняется тем, что нагреву до температур 1100—1200 °С, при которых происходит вспучивание пород, подвергается только часть обрушенных пород вблизи огневого забоя, а подвигание забоя по восстанию пласта способствовало хорошему перепуску и уплотнению обрушенных по­ род.

Объемное содержание золы при подземной газификации ка­ менных углей равно около 3 % и существенного влияния на раз­ витие деформаций горных пород не оказывает.

Еще одной особенностью разработки угольных пластов спо­ собом подземной газификации является то обстоятельство, что раз­ мер целика, который требуется оставлять для сохранения герме­ тичности газогенераторов, зависит не только от горного давления, но и от степени трещиноватости угля и горных пород в зоне вы­

ветривания. Поэтому при расчете целиков, предохраняющих от прорывов и утечек дутья и газа, следует учитывать глубину и сте­ пень выветрелостп горных пород и угля.

Выгазовываине мощных крутых угольных пластов обычно про­ исходит со значительным опережением у кровли, величина которо­ го зависит от степени выветрелости угля, опорного давления и режима выгазовываиия. По данным вскрытия участка газифика­ ции, опережение выгазовываиия в кровле пласта мощностью 9— 10 м в зоне выветрелых пород составляло 12—28 м. Реакционная поверхность угольного пласта имеет наклонное (в сторону кров­ ли) положение, угол наклона к горизонту 0„ изменялся в преде­ лах 65—85° На основании этих данных поправка к размерам ос­ тавляемого угольного целика при подходе огневого забоя к зоне выветрелых пород может быть определена по формуле

где а — угол падения пласта, градус; бн = 85° — угол наклона ре­ акционной поверхности пласта, градус; т — выгазованная мощ­ ность пласта, м.

Для пластов мощностью 1—15 м с углом падения 60° макси­ мальная величина опережения выгазовываиия в кровле составит 1,5—21,0 м. Поэтому при выгазовывании мощных крутых уголь­ ных пластов поправку к величине предохранительного целика учи­ тывать необходимо.

И, наконец, рассмотрим методику определения размеров пре­ дохранительных целиков при газификации свиты крутых угольных пластов.

Независимо от порядка отработки пластов в свите расчет ве­ дется по следующей схеме:

1. Определяется мощность пород между отдельными пластами свиты Mi, М2, . ■ -, М„.

2.Определяется отношение мощности пород в междупластьях

кмаксимальной возможной высоте зоны обрушенных пород:

/г'= l,72(Mi + mi + 5m2+m2),

т. е. с учетом образования общей зоны обрушения при отработке пластов mi и т 2.

При образовании общей для нескольких пластов зоны обруше­ ния расчет величины целиков ведется аналогично.

6. ИССЛЕДОВАНИЯ СПОСОБА ИСКУССТВЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ КРОВЛЕЙ ПРИ ОТРАБОТКЕ

НАКЛОННЫХ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КАМЕРНО­ СТОЛБОВОЙ СИСТЕМОЙ РАЗРАБОТКИ

НА ПРИМЕРЕ МИРГАЛИМСАЙСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Высокие темпы развития горнодобывающей промышленности требуют совершенствования существующих и внедрения новых, наиболее прогрессивных, экономически оправданных методов раз­ работки месторождений полезных ископаемых.

При отработке пологих и наклонных месторождений на рудни­ ках цветной металлургии наиболее эффективной является камер­ но-столбовая система разработки, на которую приходится около 30 % общего объема добычи руды.

Существенным недостатком применения камерно-столбовой си­ стемы разработки, в связи с переходом очистных работ на более глубокие горизонты, является резкое увеличение потерь полезного ископаемого, величина которых в большей мере определяется осо­ бенностями проявления горного давления.

Предложенный Г. Е. Гулевичем (Гипроцветмет) вариант ка­ мерно-столбовой системы разработки с барьерными целиками поз­ воляет использовать закономерности напряженно-деформированио- го состояния системы «целики—вмещающие породы». Предполага­ ется перераспределение нагрузки от веса налегающего породного массива с более податливых междукамерных целиков на более жесткие и менее деформируемые барьерные целики. Однако ана­ литические исследования и данные эквивалентного и оптического моделирования не подтвердили существенного снижения нагруз­ ки на междукамерные целики ввиду большой жесткости рудных целиков.

Для снижения нагрузки на междукамерные целики с перенесе­ нием давления на барьерные целики для прочных пород с хруп­ ким разрушением было предложено искусственное увеличение по­ датливости междукамерных целиков. Однако основным препятст­ вием на пути широкого применения варианта системы с податли­ выми междукамериыми целиками являлось отсутствие натурных исследований в разнообразных геологических условиях (особенно при отработке наклонных залежей, сложенных крепкими слоисты­ ми породами).

В данной главе приведены результаты исследования напряжен­ ного и деформированного состояния целиков при отработке на­ клонных залежей камерно-столбовой системой разработки с барь­ ерными и податливыми междукамериыми целиками.

Исследования проводились комплексным методом, включающим экспериментальные наблюдения на моделях из оптически актив­ ных и эквивалентных материалов, натурных наблюдений в очист­ ном блоке и аналитических исследований.

6.1.СВЕДЕНИЯ О ГЕОЛОГИЧЕСКОМ СТРОЕНИИ

ИФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ПОРОД

МИРГАЛИМСАЙСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Руды Миргалимсайского месторождения представляют собой доломиты, доломитизнрованные, мергелистые и баритизированные известняки, несущие сульфидную минерализацию вкрапленного типа с неравномерным распределением оруденения как по прости­ ранию, так и по мощности рудного горизонта. Пластообразные за­ лежи, представляющие первичную карбонатную породу, замещен­ ную в большей или меньшей степени доломитом, железисто-мар­ ганцовистым анкеритом, баритом и рудными минералами, на ос­ нове текстурных и структурных особенностей и характера орудене­ ния подразделяются на ряд стратиграфических и методологиче­ ских пачек. Несколько рудных пачек образуют залежь. Всего в рудном горизонте выделяют четыре залежи: ячеистую (первая), основную (вторая), промежуточную (третья) и параллельную (четвертая). Наиболее богатой является нижняя часть рудного го­ ризонта мощностью 2—б м. Затем идет слой бедных, зачастую не­ кондиционных руд мощностью 2—5 м. Сверху опять прослежива­ ются кондиционные руды мощностью до 2 м. Общая мощность руд­ ного тела колеблется от 2 до 15 м (в основном 9—12 м). Промыш­ ленное оруденение прослеживается до глубины 800—900 м.

По сортности руды месторождения разделяют на три группы: первичные сульфидные, сульфидно-окисленные (по свинцу), со­ храняющие первичную текстуру; рыхлые окисленные.

Сильно развитая тектоническая нарушенность способствует крайне неравномерному развитию процессов окисления, в связи с чем зона окисления месторождения четких границ не имеет. По данным эксплуатации и разведочного бурения установлено, что окисленные вторичные минералы свинца распространены на глу­ бину до 100 м от поверхности, а по трещиноватым зонам — до 400 м и глубже. В целом степень окисления руд с глубиной про­ грессивно убывает.

В зависимости от степени доломитизации, баритизации, окварцовывания и окисления руды вмещающие породы Миргалимсай­ ского рудника характеризуются следующими коэффициентами кре­ пости:

Плотность руды варьируется в пределах 2,8—3,2 т/м3 в зави­ симости от содержания барита и свинца.

Прочность пород Миргалимсайского месторождения по данным испытания образцов на одноосное сжатие, полученным ВНИМИ для Сонкульсайского блока, приведена в табл. 6.1.

Испытания ВНИМИ образцов, взятых с разных глубин и уча­ стков месторождения, показали, что с изменением глубины разра­ ботки не наблюдается выраженного изменения прочности горных пород. Кроме того, прочностные свойства пород разных геологи­ ческих блоков не отличаются между собой.

Определение модуля упругости и коэффициента Пуассона про­ изводилось на образцах цилиндрической формы с соотношением

высоты к диаметру hjd=\,b по линии разгрузки, а измерение де­ формаций образца — электронным измерителем деформаций с ав­ томатической балансировкой моста и визуальным отсчетом по круговой шкале. Точность измерения 1X 10-5 относительной дефор­ мации.

На образцы наклеивались 4 тензометрических датчика: два для измерения продольных деформаций и два для измерения попереч­ ных деформаций.

Величины предела прочности образцов на одноосное сжатие определялись в пересчете их к образцу с соотношением h /d = l по

Согласно исследованиям ВНИМИ и ИГД им. А. А. Скочинского, кф можно определить из выражения

^Ф= 1,15—0,15 hid.

Ниже приведены средние значения физико-механических ха­ рактеристик образцов при испытании их параллельно и перпенди­ кулярно к слоям и в направлении простирания.