Напряжённо-деформированное состояние вокруг очистной выработки. Зоны опорного давления и разгрузки

По мере извлечения полезного ископаемого и перемещения забоя поле напряжений вокруг очистной выработки изменяется. Область массива, в пределах которой происходят эти изменения, называют зоной влияния очистной выработки. В отличие от подготовительных выработок зоны влияния вокруг очистных пространств охватывают значительно большие области массива. Нередко процессы захватывают всю толщу вышележащих пород вплоть до дневной поверхности. Значительные области массива вовлекаются в процессы деформирования также и со стороны почвы очистной выработки.

По степени и характеру процессов деформирования и перемещения пород в пределах влияния очистной выработки в массиве могут быть выделены несколько различных зон: зона обрушений, зона трещин, зона плавного прогиба, зона сдвижений.

С точки зрения напряженного состояния в массиве пород вокруг очистной выработки выделяют две характерные зоны: зону разгрузки и зону опорного давления (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема деформирования пород вокруг очистной выработки при крутом падении пласта.

1 — зона опорного давления; 2 — пласт угля; 3 — зона разгрузки; 4 — эпюры напряжений; 5 — граница области влияния выработки.

Первая (зона разгрузки) характеризуется тем, что в ее пределах породы испытывают меньшие напряжения, чем существовавшие до проведения очистной выработки. Область, где напряжения превышают уровень первоначального поля напряжений, носит название зоны опорного давления и по существу представляет собой зону концентрации напряжений вокруг очистной выработки.

Необходимо отметить, что поскольку границы очистной выработки все время перемещаются в пространстве, выделенные зоны также находятся в непрерывном движении, так что породы массива, претерпевая изменения состояния, постепенно переходят из одной зоны в другую.

Так, под влиянием высоких напряжении в краевой части пласта уголь, непосредственно примыкающий к забою, разрушается, его несущая способность снижается и максимум опорного давления перемещается в глубь массива. В результате размеры зоны разгрузки увеличиваются, а границы зоны опорного давления отодвигаются от кромки забоя. Разрушенный уголь интенсивно отжимается в выработку, что широко используют в практике для снижения усилий на его отбойку.

Подобные же явления отмечают и на рудных месторождениях.

Ввиду непрерывного подвигания забоя очистной выработки в практике горного дела принято выделять временное или эксплуатационное опорное давление, возникающее вблизи перемещающихся границ очистного пространства. В противоположность этому, зону концентрации напряжений возле неподвижной границы очистной выработки называют зоной остаточного или стационарного давления.

Параметры зоны опорного давления определяются многими факторами. В первую очередь, к ним следует отнести параметры начального поля напряжений, размеры и конфигурацию очистных пространств, деформационно-прочностные свойства массива вмещающих пород, а также способ воздействия на угольный пласт или рудное тело. На рис. 4.2 представлены зависимости ширины зоны опорного давления от глубины заложения очистной выработки и от мощности пласта в условиях угольных месторождений.

Рис 4.2. Зависимости ширины l зоны опорного давления от глубины заложения очистных выработок H и от мощности пласта m.

Вследствие сложности определения напряженно-деформированного состояния пород вокруг очистных выработок до широкого распространения методов математического моделирования, расчет параметров зоны опорного давления выполняли без вычисления компонент полей статических напряжений в массиве, окружающем выработанные пространства. Такой подход основан на следующих положениях.

1. Если на контуре выработки породы претерпевают значительные пластические деформации или разрушаются, то результирующая эпюра опорного давления имеет вид не плавной кривой, а содержит точку перегиба и состоит из двух ветвей, возрастающей и ниспадающей (рис. 4.3).

Рис. 4.3 Эпюра напряжений в зоне опорного давления при разрушении пород на контуре очистной выработки.

2 Параметры зоны опорного давления могут быть определены на основе аппроксимации обеих ветвей эпюры некоторыми функциями, конкретный вид которых зависит от принятых допущений.

Однако наиболее надежными являются результаты натурных определений и измерений параметров зон опорного давления, а не расчетные параметры. В частности, многочисленными инструментальными наблюдениями установлено, что пик напряжений в зоне опорного давления располагается обычно на расстоянии от забоя, равном 2 - 5 мощностям пласта и равен чаще всего (2-3) gH.

Для рудных месторождений закономерности образования зон опорного давления и распространения их в глубь массива от кровли и почвы очистных выработок изучены в меньшей степени.

Например, по результатам непосредственных измерений напряжений в массиве пород вокруг камер на Высокогорском железорудном месторождении Урала установлено, что максимальное значение опорного давления при ширине камер 15—60 м составляет (3 - 11) gH. Этот максимум расположен на расстоянии 2 - 6 м от границы выработанного пространства.

В условиях мощных крутопадающих пластообразных залежей, как, например, на рудниках им. Дзержинского и им. Кирова в Криворожском железорудном бассейне, при разработке системами с обрушением зона стационарного опорного давления со стороны висячего бока распространяется ниже горизонта очистных работ на 130 - 140 м по вертикали. Коэффициент концентрации К_s напряжений составляет в среднем 1,4 (рис 4.4).

Со стороны лежащего бока зона опорного давления начинается ниже горизонта очистных работ на 30 м и протягивается на глубину до 180 м. Область максимальной концентрации напряжений располагается на глубине 110—120 м, при этом коэффициент концентрации К_s в среднем равен также 1,4.

Рис 4.4. Распределение напряжений в зоне влияния очистной выемки мощных пластообразных рудных залежей

а - схемы и размеры зон различного напряженного состояния, б, в - изменение коэффициента концентрации напряжений в зависимости от расстояния до горизонта очистных работ у висячего и лежачего боков залежи.

1 - рудное тело; 2 - зона обрушения, 3 - зона опорного давления, 4 - зона разгрузки, 5 - зона сдвижения, 6 - зона разрушенной руды.

В условиях апатитовых месторождений Хибин, разрабатываемых системой с массовым принудительным обрушением, ширина зоны опорного давления при высоте горизонта 70 м составляет 40—70 м.