Искусственные способы поддержания выработанного пространства
ЛЕКЦИЯ №26
Определение допустимых размеров обнажений. Поддержание выработанного пространства магазинированной рудой
На устойчивость обнажений горных пород влияют следующие факторы:
- свойства массива горных пород;
- глубина разработки;
- угол наклона обнажения;
- время стояния обнажения;
- условия, от которых зависит, какая часть толщи пород оказывает давления на обнаженный массив (в долях единиц).
Оценка размеров обнажения:
Доказано, что устойчивость обнажения при малой его длине (l >двойной ширины) зависит от его S (площади).
При большой длине (l >двойной ширины) зависит только от его ширины, а сама длина и S уже не играют роли.
Если l, b и S соответственно длина, ширина (пролет) и площадь кровли, то условия устойчивости обнажения будет:
При l<2b l x b<Sпред
При l>2b b ≤ bпред
Величину обнажения с точки зрения устойчивости принято характеризовать эквивалентным проектом обнажения (bэ), который определяется так:
При l<2b bэ =b
При l>2в
Предельный эквивалентный пролет обнажения (выше которого наступают разрушения) обозначим bпред. Тогда условия устойчивости обнажения выразится так: bэ≤bпред.
Для расчетов предельных пролетов камер применяются методы строительной механики, рассматривающие кровлю как упруго-пластическую среду.
Расчеты слоистой кровли камер по теории В.Д. Слесарева выполняются при следующих допущениях:
· обнаженная кровля выработки подобна свободно опертой или защемленной плите;
· расчет плиты можно заменить расчетом эквивалентной балки;
· плиты и балка будут испытывать приблизительно одинаковое напряженно-деформированное состояние в наиболее опасных сечениях, если их гидравлические радиусы равны;
· всякую выработку, ограниченную по контуру, можно заменить эквивалентной выработкой бесконечно большой длины, кровля которой будет испытывать такие же напряжения и деформации, как и кровля камеры;
· для расчета однопролетной балки, эквивалентной кровле горной выработки, можно использовать графический способ построения кривой давления, который применяется в статике сооружения для расчета сводов;
· кровля горных выработок работает за пределами упругих и упруго-пластических деформаций (до момента потери его устойчивости).
Под гидравлическим радиусом понимается отношение площади обнажения камеры S к ее периметру Р, т. е.
где a и b – соответственно ширина и длина камеры.
Заменяя для расчета плиту эквивалентной балкой, можно определить гидравлический радиус выработки бесконечной длины
Отсюда следует, что эквивалентный пролет камерной выработки . Поэтому при расчетах кровли камеры необходимо принимать балку с эквивалентным пролетом.
Работу кровли В.Д. Слесарев предлагает рассматривать в трех состояниях, которые он назвал предельными (см. табл.)
Предельные состояния слоистой кровли
Предельное состояние кровли | Характеристика состояния кровли | Предельные пролеты балки | |
Свободно опертой | С защемленными концами | ||
I | В кровле отсутствуют растягивающие напряжения | ||
II | Породы кровли испытывают максимальные деформации (прогиб) без нарушения сплошности | ||
Появляются трещины и возможно частичное обрушение | |||
III | Трещины распространяются на всю мощность кровли, и она обрушается |
На практике наибольшее распространение получил метод расчета по теории тонких плит при соотношении от h/l≥1/5 до h/l≥1/3, где h – толщина плиты, l – ширина плиты (камеры).
Для кровли, сложенной однородными трещиноватыми породами, величина устойчивого пролета для одного слоя определяется из зависимости
где ξ – коэффициент ползучести породы при сжатии, ξ=0,5-0,7; ai - расстояние между трещинами в направлении, нормальном к поверхностям системы трещин наибольшего ослабления (толщина слоя, пролет которого определяется); Kз – запас несущей способности породного слоя (рекомендуется Кз =4)
С учетом угла наклона трещин наибольшего ослабления или падения слоев а предельный пролет определим из выражения
Эти формулы справедливы при условии, когда ai/Li≤1/5 и ai>0,25, а слой породы, устойчивый пролет которого определяется, не нагружен весом вышележащей толщи пород.
Исследованиями отечественных ученых теория В.Д. Слесарева была развита в дальнейшем (С.Г. Авершин, Г.Н. Кузнецов, А.А. Борисов, С.В. Ветров и др.). Разработан ряд методик расчета устойчивых пролетов для различных условий. Рассмотрим некоторые из них.
По методике ВНИМИ для пологих залежей, допустимый пролет для камер с прямоугольным контуром обнажения для слоистых кровель определяется из выражения:
, м
где: sизг - предел прочности нижнего несущего слоя кровли при изгибе, МПа, sизг=(2...5)sраст; hо - мощность нижнего несущего слоя, м; n - коэффициент запаса прочности, n=2...4; g - средний объемный вес пород кровли, кН/м3; kп - коэффициент пригрузки нижнего несущего слоя весом налегающих пород, зависит от соотношения мощности нижнего несущего слоя h0 и глубины разработки Н, при hо/H<0.1 kп =0.7; при 0.1<hо/H<0.3 kп =0.4-0.6; при 0.3<hо/H<0.5 kп =0.3-0.4; при 0.5<hо/H<1 kп=0.2; при hо/Н=1 kп =0.
Для горизонтальных и пологих залежей при однородной кровле и отношении глубины заложения камеры к ее ширине более двух, коэффициента Пуассона m =0.17-0.3, допустимый пролет обнажения можно определить по формуле С.Г.Борисенко:
, м
где: » 0.2 - 0.4 - коэффициент бокового распора;
sраст - допустимое напряжение при растяжении для пород кровли, МПа.
Фактический пролет камеры принимают по конструктивным соображениям с учетом применяемой техники и технологии, при этом он не должен превышать рассчитанный допустимый пролет обнажения, т.е. А< А д.
Для определения допустимых пролетов обнажения при крутом падении залежи рекомендуется использовать зависимости для расчета допустимых эквивалентных обнажений в камерных системах разработки (методика НИГРИ). Устойчивость обнажений, рассчитанных по этим зависимостям, обеспечивается в течении 6 месяцев.
Для наклонных обнажений эквивалентный пролет определяется по формуле:
, м,
где: бсж - предел прочности материала обнажения при сжатии, МПа; g - объемный вес налегающих пород, кН/м3; H - глубина заложения камер от поверхности, м; n - коэффициент запаса прочности.
Для вертикальных обнажений:
, м,
где: f - коэффициент крепости.
Для перехода от величин эквивалентных пролетов к реальным размерам камер можно воспользоваться формулой В.Д.Слесарева для выработок с прямоугольным опорным контуром:
Aэкв = 2*S/P,
где: S - площадь обнажения, м2; P - периметр обнажения, м.
Искусственные способы поддержания выработанного пространства
К искусственным способам поддержания относится: временное оставление (магазинирование) отбитой руды в выработанном пространстве, заполнение его закладочным материалом, упрочнение обнажаемых пород химическими составами, крепление очистных забоев, комбинированные способы.