Особенности развития геомеханических процессов при закладке камер твердеющей закладкой

Несмотря на большое многообразие вариантов систем разработки месторождений с твердеющей закладкой, с геомеханической точки зрения их можно объединить в две группы:

· многостадийная отработка слоя, этажа;

· одностадийная сплошная отработка.

Однако в обоих случаях управление геомеханическими процессами заключается в определении оптимальных параметров искусственных целиков или закладочных массивов (геометрических, прочностных, состава и свойств).

При многостадийной отработке руды этаж или горизонтальный слой делят по простиранию на камеры (при слоевой схеме — заходки) 1-й, 2-й, 3-й и т. д. очереди очистной выемки. Чаще всего используют двухстадийную отработку. Большее количество стадий отработки применяют при очень слабых, неустойчивых рудах.

На рис. 6.5 показана многостадийная схема отработки панели, ограниченной барьерными целиками, камерами в две очереди. Сначала отрабатывают запасы камер 1-й очереди (лучше в направлении от центра к периферии панели), заполняя образовавшиеся пустоты твердеющей закладкой. Во 2-ю очередь отрабатывают камеры, соседние с камерами 1-ой очереди, и заполняют их обычно несвязной, как правило, гидравлической закладкой. В результате образуется неоднородный закладочный массив.

Рис.6.5. Расчетная схема к определению давления пород на закладочный массив с неоднородными свойствами:

1 — твердеющая закладка в первичных камерах; 2 — гидравлическая закладка во вторичных камерах; 3 — панельные целики; q׳ – эпюра нагрузок на твердеющую закладку; q״ – эпюра нагрузок на несвязную (гидравлическую) закладку.

По технологическим соображениям ширину камер обеих очередей целесообразно принимать одинаковой. При этом обычным расчетным путем устанавливают устойчивый размер естественного целика между камерами 1-ой очереди, т.е., фактически, ширину будущих камер 2-ой очереди, а затем принимают равный ему размер (ширину) камеры 1-ой очереди.

Общая ширина панели устанавливается как по технологическим, так и по геомеханическим факторам, но с условием, что к началу отработки камер 2-й очереди массивы твердеющей закладки в камерах 1-й очереди приобрели необходимую минимальную прочность.

Последующее заполнение камер 1-й очереди твердеющим закладочным материалом существенно изменяет первоначальное распределение напряжений. Многолетней практикой установлено, что твердеющие смеси существенно упрочняют целики и повышают ихнесущую способность, предотвращают опасные деформации окружающих пород.

Степень упрочнения рудного целика после закладки смежных камер можно характеризовать коэффициентом упрочнения К_у, который может быть вычислен по формулам, учитывающим соотношения линейных размеров целиков и заложенных камер, а также соотношения упругих характеристик полезного ископаемого и закладочного материала. Значения К_упри применяемых в настоящее время закладочных смесях изменяется в пределах от 1.2 до 2.0.

Монолитныйзакладочный материал не толькоупрочняет рудные целики, но и воспринимает на себя давление вышележащих пород, если он плотно подпирает кровлю камеры. И всё-таки, вследствие значительной разницы в прочности рудных целиков и искусственных опор, основную роль поддержания выполняют междукамерные и панельные рудные целики (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Схема распре-деления опорного давления на рудные целики и искусственные опоры:

1 – междукамерные целики; 2 - заложенные камеры; 3 – панельные целики.

По мере отработки естественных междукамерных целиков, т.е. камер 2-ой очереди, нижняя поверхность потолочины, прогнувшись, приходит в контакт с искусственными целиками (отработанные и заложенные твердеющей закладкой камеры 1-й очереди), нагрузки от вышележащих пород на целики будут перераспределяться. При этом максимальные нагрузки будут приходиться на ещё не вынутые жёсткие междукамерные и панельные целики и постепенно возрастать на уплотнённый закладочный массив, работающий в условиях всестороннего сжатия (рис. 6.7).

Рис. 6.7.. Схема распределения опорного давления при последовательной отработке междукамерных целиков:

1 и 2 — соответственно междукамерные и панельные целики; 3 — искусственный массив.

На стадии последовательной отработки рудных целиков в зависимости от порядка их выемки могут возникать различные комбинации целиков с искусственными опорами. На практике наиболее частовстречаются комбинированные опоры: бетон—руда—бетон; руда—бетон—руда; бетон—руда. Исследования показывают, что общие предельные деформации комбинированной опоры больше предельных деформаций отдельных составляющий её элементов.

Рудный целик, располагаемый между бетонными опорами (рис. 6.8), обладает более высокой несущей способностью, так как он работает в условиях всестороннего сжатия.

Рис. 6.8 . Комбинированная опора при разработке сзакладкой: 1-бетон; 2-целик.

Общая несущая способность опоры возрастает с увеличением отношения b/h(где b,h — ширина и высота) комбинированной опоры и повышением прочности закладочного материала.

Дня предотвращения деформирования и разрушения рудных и бетонных опор все образующиеся в процессе отработки пустоты должны своевременно заполняться закладочным материалом. После полной отработки и закладки выработанного пространства давление будет распределяться на закладочный массив и панельные (или междуэтажные) целики,которые в дальнейшем могут быть извлечены.

На рис 6.9показана общая картина распределения напряженийна рудный и закладочный массив. Максимум опорного давления приходится на краевую часть рудного массива. Нагрузка на искусственный массив возрастает по мере удаления от очистного пространства, где закладочный материал будет более плотным.

Рис. 6.9. Схема распределения опор-ного давления на рудный изакладоч-ный массивы при сплошной выемке:

1 — очистное пространство; 2 — рудный массив; 3 и 4 - эпюры распределений опорного давлении на рудный и закладочный массивы; 5 - закладочный массив; К₀- коэффициент концентрации опорного давления; стрелкой показано направление выемки.

Подобная картина распределения напряжений будет и при сплошной выемке с закладкой, когда отработка ведетсябез оставления рудныхцеликов. Сплошная отработка месторождения (или шахтногополя) обычно начинается от середины по направлению к флангам и реже от одного фланга к другому.

Величина опорного давления на искусственный массив и панельные целики зависит от пролета подработки, прочности пород, слагающих целик, и компрессионных свойств закладочного материала. При жестких закладочных смесях, когда коэффициент компрессии невелик и материалнадежно подпирает кровлю, давление на краевые зонырудного массива нарастает медленнее, чем при податливых смесях. На практике коэффициенты компрессии бетонной закладки изменяются впределах от 2 до 10%,как правило, не превышают 15%.Коэффициент концентрации опорного давлении К₀всредней части искусственного массива достигает максимального значения при L ≥ H(где L - пролет подработки; Н - глубина работ). Исследования показывают, что наибольшие значения вертикального напряжения на искусственный массив σ_Z = (1.0÷1,5)γH, а на оставляемый панельный целик максимум опорного давления можетдостигать (1.5÷3.0)γH.Такое положение характерно для случая, когда вес подрабатываемой толщи пород полностью распределяется на закладочный массив.

При отработке пологих залежейв устойчивых породах картина распределения давления будет несколько иной. Благодаря образованию сводов обрушения пород выше искусственного массива, возникающие напряжении в нём будут меньше γН, обычно (0,3÷0,5)γН, а опорное давление на панельные целики может достигать (4÷5)γН.