Последовательность обрушения пород

На развитие процесса обрушения налегающих пород влияют:

· характер строения налегающих пород;

· физико-механические свойства налегающих пород;

· условия залегания;

· применяемые системы разработки;

· интенсивность и концентрация очистных работ;

· соотношение пролета подработки и глубины залегания месторождения.

Практика разработки рудных месторождений показывает, что к обрушению наиболее склонны трещиноватые или слоистые слабые породы, имеющие геологические нарушения. Процессы обрушения протекают интенсивнее при отработке пологопадающих и наклонных залежей, имеющих значительную мощность. При медленном подвигании очистных работ происходит постепенное растрескивание, расслоение и самообрушение подрабатываемых пород. Интенсивная же отработка может быть причиной "мгновенной" посадки в виде сплошных крупных блоков.

При отработке слепых залежей из-за последовательного сводообразования самообрушение пород может локализоваться, не достигая поверхности. В результате этого образуются скрытые полости, представляющие угрозу внезапной посадки.

Анализ разработки месторождений, представленных трещиноватыми породами относительно однородного строения, и опытов на моделях из эквивалентных материалов показал, что процесс обрушения пород над выработанным пространством можно разделить на два периода:

до обрушения поверхности и после ее обрушения.

Последовательное развитие обрушения трещиноватых пород однородного строения можно представить в виде принципиальной схемы, изображенной на рис. 8.3.

Рис 8.3. Принципиальная схема обрушения трещиноватых скальных пород однородного строения (пунктиром показаны линии сдвижения и самообрушения пород):

I, II, …, VI - порядок отработки блоков; 1, 2, 2’,…, 5, 5' – последовательность сводообразных обрушений; А, Б, В, Д - стадии самообрушения земной поверхности.

Отработка отдельных блоков (I, II, ...., VI) от середины шахтного поля к флангам способствует сводообразованию до момента достижения предельного пролета подработки L_п. Самообрушение пород на этой стадии характеризуется беспорядочными вывалами, отслоениями по имеющимся или вновь образующимся трещинам. Коэффициент разрыхления пород при таком обрушении может достигать 1,3— 1,4.

В крепких слаботрещиноватых или расслоенных породах своды обрушения бывают плоскими, а в неустойчивых сильно трещиноватых — высокими.

Например, в интенсивно раздробленных неустойчивых габбро-диабазах рудника "Заполярный" Норильского ГМК отношение максимальной высоты свода В_maх к предельному пролету подработки L_п изменялось от 0,40 до 0,45. В то же время на рудниках Жезказгана, где породы менее трещиноваты, но обладают расслоениями согласными с залеганием залежи, - В_maх / L_п =0,25÷0,30.

Первое обрушение поверхности в виде провала (стадия А, см. рис. 8.3), как правило, происходит над наиболее высокой частью естественного свода. В сильнотрещиноватых породах этому обрушению, как показывают маркшейдерские наблюдения, предшествует медленное сдвижение земной поверхности без разрыва сплошности. Интенсивное нарастание сдвижения наступает непосредственно перед тем как образуется провал. В малотрещиноватых породах провалы поверхности происходят внезапно без заметного сдвижения поверхности и предварительного появления трещин. Поэтому они представляют большую угрозу как для зданий, сооружений, так и для людей.

Общий коэффициент разрыхления пород на этой стадии разработки, судя по величине провалов и сдвижений поверхности, составляет 1,03— 1,06 и обычно не превышает 1,1. Это свидетельствует о незначительном разделении массива по трещинам, особенно на заключительной стадии обрушения (части массива А, Б, В, Д на рис. 8.3). Консольные зависания Б и В постепенно сползают в сторону обрушившихся пород под углами 75-90°, образуя на поверхности террасообразные площадки.

При применении систем с обрушением в слоистых осадочных породах характер обрушения и сдвижения пород определяется наличием слоистости. Нижняя часть зоны обрушения (сразу над выработанным пространством) характеризуется интенсивным дроблением и беспорядочным обрушением. Средняя — расслоениями, сдвижением и разломами отдельных слоев. Верхняя часть, примыкающая к наносам, может расслаиваться и изгибаться без разломов.

При крутом угле падения рудных залежей подрабатываемые породы висячего бока обрушаются вслед за выемкой руды. Если непосредственная кровля имеет слоистое или трещиноватое строение, то происходит самообрушение пород и частичное заполнение выработанного пространства. Основная же часть лежащего бока сползает в виде малораздробленных пород "призм" с некоторым отставанием (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Закономерности обрушения пород при отработке рудных тел крутого падения в условиях Криворожского железорудного месторождения (по данным В.Ф. Лавриненко):

I, II,.... IX - стадии отработки залежи; I’, II’,..., IX’ - стадии обрушения пород; Н_кр, Н_пр и Н_отр - Глубина соответственно критическая, предельная и отработки; В - ширина зоны смятия; α- угол падения залежи; β,γ- углы сдвижения.

В зависимости от устойчивости пород эта задержка может быть на один - два этажа. Над выработанным пространством появляется зона обрушения с трещинами и разрывами, террасообразными уступами по периферии. Наиболее глубокая часть мульды сдвижения или зоны обрушения в зависимости от угла падения рудного тела располагается ближе к лежачему боку залежи. При значительной мощности залежей сползающие породные призмы и сверху породы являются причиной высокого давления на междуэтажные и междукамерные целики, лежачий бок залежи и рудный массив.

В лежачем боку залежи может появляться зона смятия пород, в пределах которой выработки становятся крайне неустойчивыми, требуют усиленной крепи, больших затрат на ремонт и поддержание. Есть мнение, что развитие зоны смятия обусловливается также действием горизонтальных сил бокового распора, направленных в сторону выработанного пространства.

Практика отработки криворожских железорудных залежей показала, что величина зоны смятия возрастает с увеличением глубины работ и будет максимальной на уровне такой глубины, при которой на лежачий бок и рудный массив приходится полный вес обрушенных пород (до дневной поверхности).

Начиная с определенной глубины (500-600 м и более) в результате перепуска и уплотнения обрушающихся пород скорости сдвижения поверхности замедляются, прекращается образование зон обрушения, уменьшается трещинообразование, появляются плавные оседания. По данным В.Ф. Лавриненко, ниже критической глубины происходят лишь сводообразные обрушения подрабатываемых пород, которые локализуются, не достигая поверхности.

Шаг обрушения пород.

Как отмечалось ранее, после выхода обрушения на поверхность и самопосадки консолей Б и Д (см. рис. 8.3) отработка продолжается в направлении от выработанного пространства к массиву. Начинается период разработки, когда образуются консоли пород, обрушающихся при определенном шаге подработки.

Величина шага обрушения зависит от воздействия многих факторов, из которых наиболее существенными являются свойства массива и силы подпора со стороны ранее

обрушившихся пород 2 и 3 (рис. 8.5 а).

Рис. 8.5. Расчетные схемы для определения шага обрушения при плотном (а) и недостаточном (б) подпорах со стороны ранее обрушившихся пород.

Плотно подпирающие консоль, они препятствуют развитию сдвигающих усилий, уменьшают величину шага обрушения, способствуют плавному сползанию консоли.

Как показывает практика, величина шага обрушения трещиноватых горных пород lо значительно меньше их мощности H. Обычно отношение H/ lо≥ 3÷6 и более.

Для расчета шага обрушения трещиноватых пород, если H/lо > 3, наиболее применима теория предельного равновесия. В формировании поверхности сдвижения решающую роль играет касательная составляющая Т веса консоли пород Р. Как показывают данные маркшейдерских замеров и результаты моделирования на эквивалентных материалах, угол наклона линии сдвига ω к горизонтали изменяется в пределах 75-90°. В расчетах, когда ω > 60°, вполне допустимо криволинейную поверхность скольжения считать плоской.

Если консоль плотно подпирается обрушенными породами (см. рис. 8.5, а), то сдвигающее усилие Т = Р sinω уравновешивается удерживающими силами трения F=N tgφ=Р cosω tgφ, сцепления С=с l (l = МД) и подпора QT.

Силу QT можно найти как составляющую пассивного давления QХ на подпорную стенку по Кулону:

QХ = 0.5 (H – x)2 γ’ tg2(π/4 – φ’/2)(8.3)

где х — осадка обрушенных пород: γ’, φ’ — соответственно удельный вес и угол внутреннего трения обрушенного материала.

U

x = m --------- - H (K_раз - 1),(8.4)

1 –R

где m — мощность рудного тела 1; U,R — коэффициенты соответственно
извлечения и разубоживания руды; K_раз — коэффициент разрыхления,
изменяется в пределах 1,03—1,10.

Удерживающая составляющая силы подпора пород по линии МД будет

Q_T = Q_Х sinω tgφ,(8.5)

где \φ— угол внутреннего трения пород в массиве.

Условие предельного равновесия Т=F + С +Q_T после подстановки значений можно записать в виде

Р sinω =Р cosω tgφ + сl + Q_x sinω tgφ. (8.6)

Подставляя значение веса консоли Р=Н l₀ γ и величину Q_Х в выражение (8.6) получим

0.5 (H – x)² γ’ tg²(π/4 – φ’/2) sin²ω tgφ + c H

l₀ = -------------------------------------------------------------,(8.7)

γ H sinω (sinω – cosω tgφ)

где γ - удельный вес пород в массиве.

При недостаточном подпоре со стороны пород обрушившихся ранее, еще до начала сдвижения консоли, на земной поверхности появляются опережающие трещины разрыва, которые влияют на увеличение сдвигающих усилий в нижней части консоли (рис.8.5 б)

Трещины разрыва, как свидетельствуют примеры обрушения пород на апатитовых рудниках и опыты на моделях, распространяются почти вертикально в глубь массива на расстояние до (0,3÷0,5)Н.

Исследуя устойчивость откосов К. Терцаги установил, что максимальная глубина, которой могут достичь трещины растяжения в толще откоса, равна половине высоты свободно стоящего борта выемки. По Г.Л. Фисенко глубина распространения вертикальных трещин

2 с

Н_Т = ----- tgω, (8.7)

γ

где с - удельное сцепление пород в массиве; ω=π/4 + φ/2.

Следовательно, при глубине разработки Н>Н_Т,когда высота подпирающих пород Н_п≤0,5Н, процесс обрушения консоли можно разделить на периоды отрыва (трещинообразования) и сдвижения. Действие сдвигающих сил будет пропорционально глубине разрывающих массив трещин.

В отличие от предыдущего случая условие предельного равновесия (8.6) будет иметь вид

Н₁

Р sinω =Р cosω tgφ + с---------- + Q_x sinω tgφ. (8.8)

sinω

Шаг обрушения можно определить по формуле

c (H – H_Т) + Q_x sin²ω tgφ

l₀ = -------------------------------------,(8.9)

γ H sinω (sinω – cosω tgφ)

Расчеты, выполненные для условий рудника "Заполярный" по формуле (8.7) и апатитовых рудников по формуле (8.9) для глубин 200-300 м, показывают зависимость шага обрушения от глубины работ (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Расчетные значения шага обрушения для Кукисвумчоррского (1) и Но-рильского (2) месторождений.

Полученные результаты подтверждаются фактическими данными. Закономерность увеличения шага обрушения с глубиной работ объясняется возрастанием сил сцепления и подпора по поверхностям отрыва.