книги / Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Общие методические положения комплексного исследования проблем горной геомеханики

К геологическим факторам относятся: форма и размеры рудного тела, его угол падения и мощность, глубина залегания, структура руд и пород (слоистость, однородность, наличие слабых и пластич­ ных прослойков), тектоническая нарушенность, физико-механиче­ ские свойства пород.

Эти факторы, наряду с ценностью полезного ископаемого, опре­ деляют выбор системы разработки, а, следовательно, и способов управления горным давлением.

При камерных системах разработки, когда поддержание вме­ щающих пород осуществляется рудными или искусственными цели­ ками, величина нагрузки на поддерживающие элементы (целики) зависит от глубины разработки, угла падения рудного тела, дефор­ мационных свойств пород, слагающих целики, зачастую — формы и размеров рудного тела (отношения пролета подработки к глубине разработки), взаимного расположения рудных тел (при сближен­ ных рудных телах или свите жил).

При системах с обрушением на величину концентрации и об­ ласть распространения опорного давления на призабойный массив влияют степень устойчивости вмещающих пород, глубина разра­ ботки, угол падения рудного тела, деформационная способность руды и др.

Несущая способность целиков определяется прочностными свой­ ствами руд, интенсивностью трещиноватости и направлением ее по отношению к действующей нагрузке, наличием слабых или пластич­ ных прослойков.

Эти же факторы, наряду с углом падения и тектонической нарушенностью, оказывают существенное влияние и на устойчивость обнажений пород, а также на параметры и интенсивность процес­ са обрушения и сдвижения вмещающих .пород. Давление обру­ шенных пород на днища блоков в значительной мере зависит от угла внутреннего трения обрушенной горнбй массы.

К горнотехническим факторам относятся глубина разработки, размеры конструктивных элементов систем разработки, порядок выемки рудного тела или его участков, форма и размеры вырабо­ танного пространства, взаимное расположение элементов системы в сближенных рудных телах, скорость подвигания очистных за­ боев, материалы и способы возведения искусственных целиков и потолочин при системах с твердеющей закладкой, материалы для крепления, параметры и технология возведения крепи, способ до­ бывания полезного ископаемого.

Размеры и форма обнажений в данных условиях определяют их устойчивость; отношение ширины целика к высоте—-один из существенных факторов, влияющих на его несущую способность; давление обрушенных пород на днища зависит от размеров бло­ ков в плане.

260

§ 32. Методика комплексного исследования распределения напряжений, деформаций, смещений, разрушений и других проявлений горного давления в элементах очистных выработок

Исследование распределения напряжений в междукамерных целиках, кровле камер и других элементах очистных выработок

В натурных условиях исследование напряженного состояния це­ ликов различного назначения осуществляется методами: разгрузки, компенсационной нагрузки, разности давлений, упругих динамомет­ ров, измерения деформаций стенок буровых скважин, геофизиче­ скими и др. [см. гл. IV].

Экспериментальные участки, на которых намечается проведение исследования, должны отвечать требованиям решаемой задачи в части представительности:

механической схемы работы исследуемого объекта; геологического строения и физико-механических свойств рудного

тела и вмещающих пород.

При проведении исследований напряженного состояния целиков методом разгрузки измерения необходимо вести в их наиболее ха­

и кровли, где напряженное состояние целика отличается от напря­ женного состояния в среднем сечении, вследствие влияния условий на его контактах.

При оценке изменения напряженного состояния целиков и их несущей способности, измерение напряжений необходимо проводить в средней по высоте части целика, т. к. изменение эпюры напряже­ ний по среднему сечению более представительно может характери­ зовать начальную стадию разрушения целика в периферийной его части (ширина разрушаемой части по этому сечению значительно больше, чем по сечениям у оснований).

Оценка изменения напряженного состояния целиков в зависи­ мости от изменения размеров отрабатываемого участка и во вре­ мени может быть произведена посредством многократных периоди­ ческих измерений по одному и тому же сечению целика. Решение этой задачи целесообразно выполнять комплексом методов — раз­ грузки, как основным, в сочетании, например, с методом измере­ ния деформаций стенок скважины или геофизическими методами. Применение этих методов облегчается наличием р'анее пробуренных скважин в целиках при методе разгрузки.

Исследованию напряженного состояния кровли методом" раз грузки должно предшествовать детальное изучение геологического строения пород и, в особенности, характера их расслаиваемости.

262

Последний необходимо устанавливать в процессе обнажения пород кровли (например, при подвигании забоя камеры), применяя для этого специальные способы (см. ниже). При этом должны быть выявлены мощность слоев, на которые расслаивается кровля, шири­ на трещин расслоения, высота их распространения от потолка ка­ меры. Полученные данные позволят достаточно надежно, в после­ дующем, выбирать характерные точки определения напряжений в толще пород кровли и облегчить анализ полученных данных.

Для получения эпюры напряжений в слоях непосредственной кровли, или, если породы неслоистые, в ближней к обнаженной поверхности зоне, скважины для измерения напряжений в плоско­ сти, параллельной поверхности обнажения, необходимо бурить в середине пролета камеры и вблизи целиков (мест защемления) по нормали к поверхности обнажения. При этом напряжения изме­ ряются вблизи контактов слоев и в середине каждого из них.

Методика измерения напряжений в почве камер в принципе аналогична методике измерений в кровле.

Для исследования напряженного состояния искусственных эле­ ментов выработок (бетонных целиков, потолочин, стенок и др.) метод разгрузки также может быть принят в качестве основного.

Учитывая, что прочность бетона в искусственных целиках не превышает 100—150 кг1см2, а наклейка тензодатчиков на забой скважины трудно осуществима, рекомендуется деформации вос­ становления измерять прижимными тензометрами (по схеме ВНИМИ), либо по схеме Хаста (см. гл. IV).

Однако, в ряде случаев, например при крайне неоднородном по механическим свойствам материале сооружаемой конструкции или при слабой связи крупного заполнителя с раствором и др., приме­ нение метода разгрузки может оказаться невозможным. В этих случаях может быть использован метод измерений деформаций. При этом деформометры устанавливаются в процессе возведения искусственных сооружений. Для измерений деформаций бетона мо­ гут быть применены струнные телетензометры (например, кон­ струкции ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева [61] или накладны^ тензо­ метры) .

Широкое применение для прогнозирования предельных состоя­ ний пород получил акустический (звукометрический) метод, отли­ чающийся от других физических методов несложной регистрирую­ щей аппаратурой, в значительной степени облегчающей организа­ цию и проведение наблюдений (см. гл. IV).

Существенным при применении этого метода является установ­ ление периодичности проведения наблюдений. Наибольшая частота наблюдений должна быть приурочена к моментам изменения напря­ женного состояния исследуемого объекта (период очередного разру­ шения целиков в зоне опорного давления; очередное увеличение

263

пролета при проведении горного эксперимента; увеличение обна­ жения пород висячего бока при послойной отбойке руды в каме­ рах и пр.). [47].

Изложенная выше методика относится к оценке медленно изме­ няющихся или статических напряженных состояний элементов гор­ ных выработок. При оценке динамических напряжений, основным источником которых в горнорудной промышленности являются взры­ вы зарядов ВВ, широкое применение нашел сейсмический метод. Сейсмическими наблюдениями устанавливается зависимости сейсми­ ческого действия взрывов (обычно амплитуды скорости колебаний среды) от величины зарядов ВВ и расстояния от взрыва до места наблюдения при определенных способах и видах взрывания. По ус­ тановленной зависимости определяется критический парц^етр коле­

баний, соответствующий критическому параметру , ха­

рактеризующий сейсмический эффект взрыва заряда критического веса на расстоянии г м .

В качестве измерительной аппаратуры при сейсмических наблю­ дениях применяется серийно выпускаемые электродинамические сейсмоприемники СПМ—16, СПЭД—56 и СВМ, а в качестве реги­ стрирующей— светолучевой семишлейфовый осциллограф Н—700.

Для исследования динамических напряжений в целиках, потоло­ чинах и днищах камер, помимо сейсмического метода может быть применен тензометрический метод, а также метод мерных конусов

пряженного состояния междукамерных и барьерных (в том числе неоднородных) целиков, междупластий, потолочин, кровли .и почвы камер [30, 54]; характер напряженного состояния массива в зоне опорного давления от зависающей консоли налегающих пород при системах с обрушением.

Методом моделирования на эквивалентных материалах изучают­ ся: характер распределения нагрузок на целики (междукамерные

ибарьерные) и прилегающий к выработанному пространству массив

взависимости от структурных особенностей и прочностных свойств рудного тела и вмещающих пород [21, 22, Нестеренко 27 и др.], влияние структурных особенностей и формы на несущую способ­ ность целиков и кровли камер [8, 42 и др.]; способы повышения не­ сущей способности целиков [37], характер изменения опорного дав­ ления в призабойной части массива, в зависимости от подвигания забоя и обрушения налегающих пород при системах с обрушением; распределение нагрузок между рудными и искусственными целика­

ми на различных стадиях отработки участка месторождения [56 и др.].

При аналитических исследованиях прежде всего учитывают из­ вестные решения. Так, например, строгое решение задачи о напря­

264

женном состоянии упругого породного массива, ослабленного перио­

риалов, рассмотрено напряженное состояние слоистых пород кровли

решения задачи о распределении напряжений в многослойных пото­ лочинах на основании методов теории упругости.

C. Г. Лехницким дана общая методика расчета напряжений и перемещений в многослойной плите, составленной из нескольких слоев конечной толщины — упругих, однородных, ортотропных, но неразрывно связанных между собой. Указана последовательность операций, которые необходимо выполнить для расчета таких плит при любой нагрузке. Подробно исследованы случаи плиты, состав­ ленной из двух слоев с одним защемленным краем, а другим свобод­ ным, открытым или защемленным, деформируемой собственным весом и линейно-распределенной внешней нагрузкой.

Общие методические положения проведения аналитических ис­ следований даны в гл. V.

Исследования деформаций, смещений и разрушений в элементах массива вблизи очистных выработок

При любых системах разработки натурные исследования прояв­ лений горного давления должны начинаться с детального обследо­ вания отработанных и отрабатываемых участков. При этом оцени­ вается состояние элементов систем разработки, что учитывается при выборе мест для постановки инструментальных наблюдений. Даль­ нейшими периодическими обследованиями регистрируются видимые изменения состояния горных выработок (разрушение целиков, де­

В зависимости от применяемых систем разработки ставятся различные задачи при исследовании деформаций, смещений, раз­ рушений и т. п. для различных объектов исследований.

При различных вариантах камерных систем разработки объек­ тами исследований являются междукамерные целики, кровля камер, потолочины, породы висячего и лежачего боков. Исследуются де­ формации и смещения как на поверхностях очистной выработки, так и в глубине массива, окружающего выработку. Цель таких ис­ следований — изучение закономерностей деформаций и смещений пород вокруг очистных выработок в зависимости от структурных

265

особенностей и прочностных свойств руды и пород, глубины разра­ ботки и угла падения рудного тела и вмещающих пород, парамет­ ров систем, размеров выработанного пространства и т. п.

Деформации поверхностей очистной выработки исследуются с помощью измерения расстояний между реперами, заложенными в бока, кровлю и почву выработки. В зависимости от условий расстоя­ ния между реперами измеряются с помощью индикаторных стоек типа СУИ, рулетки ВНИМИ, наблюдений за изменением натяже­ ний струны, закрепленной на реперах, и других средств. Если непо­ средственный доступ в выработку невозможен, то наблюдения ве­ дутся дистанционно с помощью заранее установленных реостатных, индуктивных и других датчиков.

Наблюдения за обрушением пород в очистных выработках ка­ мерного типа осуществляются с помощью маркшейдерской съем­ ки тахеометрами типа ТПБ [45], УДС [28], БРТ, а также звуко­ локационными приборами [18].

Деформации и смещения в глубине массива пород, окружаю­ щих очистную выработку, изучаются с помощью глубинных реперов, скважинных деформометров и др.

Глубинные реперы применяются для наблюдений за продольной и поперечной деформацией междукамерных целиков, прогибом кров­ ли камер, смещениями пород висячего и лежачего боков.

При измерении смещений и деформаций пород на небольшом расстоянии от выработки (до 5—10 м) обычно применяют глубин­ ные реперы с передачей смещений посредством штанг [39, 60], и продольные скважинные динамометра [3, 38]. При больших расстоя­ ниях используют глубинные реперы с проволочной связью [39, 55]. Регистрация смещений глубинных реперов чаще всего осуществля­ ется индикаторами часового типа, мерными линейками, реостатны­ ми датчика и другими [34].

Оптическим прибором типа РВП [53] изучается развитие тре­ щиноватости в исследуемом объекте (кровле камер, стенке выработ­ ки, междукамерном целике). Прибором можно просматривать сква­ жины диаметром от 40 до ПО мм на глубину 6—7,5 м. Развитие расслоений (появление зияющих трещин) в горных породах под влиянием разработки фиксируются также различными типами фик­ саторов расслоений (трещиномеров) [16, 59].

Исследование деформирования и разрушения закрепленной штангами кровли очистных камер органически связано с изучением взаимодействия штанговой крепи с породами кровли, оценкой их несущей способности, напряженного состояния (например, железо­ бетонной штанговой крепи) и условий прочности ее закрепления.

При исследовании взаимодействия штанговой крепи, у которой несущий элемент (штанга) не имеет сцепления по длине с породами кровли (всевозможные типы металлических штанг и штанг из

266

древесины, из синтетического материала и др.), нагрузка на штангу может быть измерена пружинными штанговыми деформометрами. При оценке несущей способности металлических, деревянных и дру­ гих штанг этого типа целесообразно применять гидравлические штанговые выдергиватели конструкции ВНИМИ или КузНИУИ [46].

Работа железобетонных штанг принципиально отличается от работы металлических (деревянных). Арматурный стержень железо­ бетонной штанги цементным раствором связан с породами кровли по всей длине. В силу такой связи нагрузка на железобетоннную штангу не может быть определена методами, обычно применяемыми при измерении нагрузки на металлическую штангу. Усилия, возни­ кающие в стержне железобетонной штанги при прогибах слоев кров­ ли, могут быть определены путем измерения относительного удли­ нения стержня. При известной величине относительной деформа­ ции стержня & напряжения в любом его сечении определяются из выражения 6а=<5 Еа, (Е а— модуль упругости стали).

Для измерения напряжений в арматурных стержнях железо­ бетонных штанг может быть применен тензометрический метод [35].

Измерения напряжений в штангах должны осуществляться па­ раллельно с измерением расслоений пород кровли, по способу смот­ ровых шпуров ВНИМИ [33].

При системах с обрушением важно выбрать такие параметры и конфигурацию фронта очистной выемки, при которых обеспечива­ лось бы планомерное обрушение налегающих пород. Это уменьшает опорное давление на призабойный массив, улучшая условия под­ держания в нем выработок и способствуя повышению эффектив­ ности очистной выемки.

Оптимальные параметры и конфигурация фронта очистных ра­ бот выбираются на основе исследования закономерностей процесса обрушения и сдвижения при развитии очистных работ.

Изучение процессов деформирования и разрушения в горных по­ родах при системах с обрушением осуществляется, главным обра­ зом, с помощью глубинных реперов, закладываемых в скважины, пробуренные либо из подземных выработок, либо, если глубина ра­ бот это позволяет, с поверхности. Начало и развитие процесса обрушения может быть зарегистрировано с помощью самописцев, к которым прикрепляется проволока от глубинных реперов. Цен­ ная информация о развитии процесса обрушения налегающих по­ род при разработке месторождений в гористой местности может быть получена с помощью периодической фототеодолитной съемки участка обрушения [32].

Помимо исследования напряженного состояния пород в зоне опорного давления, наблюдения за относительным изменением опор­ ного давления в зависимости от развития процесса обрушения на­ легающих пород могут производиться с помощью изучения дефор-

267

мадии пород в выработках, пройденных на интересующем участке. С этой целью в кровле н почве выработок закладываются профиль­ ные линии, которые наблюдаются с помощью либо прецизионного геометрического нивелирования, либо гидростатического нивелиро­ вания (Нестеренко 27].

Наблюдения за изменением сечения выработки в зависимости от интенсивности опорного давления, производят также путем изме­ рения расстояния между парными реперами (кровля-почва, бок-бок выработки); заложенными в сечениях выработки через 5— 10 м.

Эффективным средством изучения развития процесса обрушения пород является звукометрический метод [4].

Изучение влияния порядка отработки и конфигурации фронта очистных работ на обрушаемость налегающих пород может успеш­ но проводиться на моделях из эквивалентных материалов [9].

Давление обрушенной руды и пород на днища блоков изучается с помощью динамометров, укладываемых в определенном порядке на днище перед обрушением руды [44].

Определение устойчивых обнажений пород кровли

Задача определения величины устойчивых обнажений кровли ка­ мер является настолько сложной, что для ее решения необходимо проведение специальных горных экспериментов.

ВНИМИ предложены и применяются для этого две схемы гор­ ных экспериментов (рис. 32). Первая схема (рис. 32а) осущест­ вляется в том случае, когда нельзя допустить при экспериментиро­ вании обрушения пород налегающей толщи, например по причине сильной обводненности.

Сущность такого эксперимента состоит в подработке предвари­ тельно образованной горными выработками «балки», которая со­ стоит из пород, аналогичных породам кровли. * Образование та­ кой «балки» может быть осуществлено, если это позволяют горно­ геологические условия, и в породах самой кровли.

Подобная схема горного эксперимента может успешно приме­ няться во всех случаях нетрещиноватых или слаботрещиноватых пород

Вторая схема горного эксперимента применяется для определе­ ния устойчивых обнажений кровли камер в случаях, если на экспе­ риментальном участке допускается обрушение пород покрывающей толщи (рис. 32б, в).

Для осуществления такого эксперимента в начале проходится узкая камера. Затем эту камеру расширяют симметрично в обе стороны.

* При этом необходимо также учитывать гидростатическое давле­ ние на водоупорные слои кровли.

268

Наблюдения за деформированием пород кровли осуществляются из выработок специально пройденных на высоте 10—20 м от кон­ такта рудного тела с породами кровли.

Эта схема горного эксперимента может быть принята для оцен­ ки устойчивости как трещиноватых, так и нетрещиноватых пород, не закрепленных или закрепленных штанговой крепью.

При системах подэтажных штреков, с доставкой руды силой взрыва, решение вопроса о допустимых размерах обнажения может быть осуществлено значительно проще — путем систематических ин­ струментальных съемок кровли в процессе отбойки руды в камере (рис. 32, г). Поскольку отбойка руды ведется послойно веерами глубоких скважин, то и обнажение кровли происходит постепенно. Первое обрушение пород кровли будет являться показателем, по которому можно судить о предельном пролете непосредственной кровли [31].

Предельно допустимая ширина очистных камер принимается по результатам горного эксперимента с учетом коэффициента запаса, величина которого зависит от технологии очистной выемки, а при первой схеме также и от строения пород кровли.

Число горных экспериментов на месторождении определяется степенью изменчивости геологического строения, тектонической нарушенности и механических свойств пород кровли. Для каждой представительной разновидности условий должен быть проведен свой горный эксперимент.

На строящихся рудниках горные эксперименты должны предшестврвать вводу предприятия в эксплуатацию.

Определение несущей способности междукамерных целиков

Несущая способность междукамерного целика может быть опре­ делена, как величина нагрузки, которую может выдержать целик к моменту наступления предельного состояния:

— площадь поперечного сечения целика, м2.

Иногда несущая способность целика определяется как его при­ веденная прочность брав на сжатие, учитывающая форму и пред­ варительную нарушенность. Такое определение, хотя и не вполне точно, но удобно для расчета прочных размеров целика.

<Зро5 = К $ Ко беж

(8.2)

где К ? — безразмерный коэффициент, учитывающий изменение прочности с изменением отношения ширины

целика а к его высоте h;

269