Особенности развития геомеханических процессов при системах с креплением выработанного пространства

Поддержание выработанного пространства в системах рассматриваемой группы может осуществляться

· деревянной крепью (деревянные стойкии распорки, крепежные рамы, станки, костры);

· каменной или бетонной крепью;

· металлическими стойками;

· механизированными комплексами.

Характерным для большинства этих систем является работа в очистных забоях с крепи, устанавливаемой по мере выемки руды.

Эти системы разработки применяют в самых неблагоприятных горнотехнических условиях эксплуатации месторождений ценных руд, когда руда и вмещающие породы неустойчивы и основным требованием является высокое извлечение запасов с незначительным разубоживанием.

На практике частокрепление очистных забоев сочетают с закладкой или обрушением выработанного пространства, так как крепь не гарантирует надежного сохранения равновесияподрабатываемых пород.

Геомеханические процессы при всех системах разработки с креплением очистного пространства развиваются идентично и, практически, не зависят от вида применяемой крепи.

Крепление очистного пространства деревянной крепью в настоящее время чаще всего встречается в практике отработки жильных месторождений мощностью не более 2,0-2,5 м при необходимостиподдержать неустойчивую непосредственную кровлю.

Работа крепи определяется ее рабочим сопротивлением Р_а и податливостью δ_α. величины которых зависят от угла падения α рудного тела[Совершенствование управления горным давлением при разработке наклонных и крутых угольных пластов /К.А.Ардашев, Н.И.Куксов, А.С.Шалыгин, В.М. Шик, В.Ф.Богомолов. М., Недра, 1975]:

Р_а = Р₀ √cosα(7.4)

δ_α = δ₀ √cosα (7.5)

где Р₀, δ₀ - необходимое сопротивление и податливость крепи при α=0.

Распределение опорного давления при разработке с креплением

очистного пространства показано на рис. 7.6.

Рис.7.6. Распределение опорного давления при разработке с креплением очистного пространства (стрелкой показано направление отработки).

Вследствие того, что в нижней части отрабатываемого блока будут накапливаться руда и отслаивающиеся породы кровли длябольшей безопасности работ и надежного поддержания очистного пространства в верхней части блокаР_а и δ_α необходимо принимать большими по величине:

Р_max = 0.9÷1.0 Р₀; δ_max = 0.9÷1.0 δ₀.

Принимая во внимание,что распорки поддерживаютслабую, склонную к обрушению кровлю, нагрузки на них должны рассчитываться с учетом трещиноватости, а места установки определяться расстоянием между трещинами.

Для случая кососекущей трещиноватости породнепосредственной кровли (рис.7.7) рабочее сопротивление стоек определяется по формуле, рекомендованнойВНИМИ для угольных пластов:

Рис. 7.7. Схема к определению рабочего сопротивления стоек при трещиноватой слоистой непосредственной кровле:

1 - выработанное пространство; 2 - стойка; 3 - целик; 4 - непосредственная кровля; 5 – порода-мост.

cos (α – ω) – φ sin(α – ω)

Р_а = Р₀ --------------------------------(7.6)

√cosα (cos ω - φ sin)

где ω - угол междудиагональнымитрещинами и нормалью к пласту; φ - коэффициент внутреннего трения пород.

Из формулы (7.6) следует, что с увеличениемα давление на крепь Р_а уменьшается. Если α =90°, то крепь испытывает боковой распор породσ_y = ξ z (формула 7.2). В этом случае рабочее сопротивление крепи выбирается из условияР_а > σ_y.

На случай подвижкипород висячего бока рекомендуетсяустанавливать распорки с отклонением от нормали (по восстанию) на 6-10⁰во избежание их выпадения. Для обеспечении совместной работы пород и крепинеобходимо тщательное расклинивание распорок со стороны лежачего и висячего боков, а для предотвращения вывалов - затяжка обнажений висячего бока.

Если породы висячего бока имеют однородное строение (неслоистое) то давление на крепь определяется на основании теории свода. Распределение опорного давления показано на рис 7.6,стойки рассчитываются на случай наиболее неблагоприятной работы, т.е. в средней части блока. Величины Р_о и δ₀ принимаются на основании давления пород, заключённыx в объеме свода давления.

В случае поддержания очистного забоя крепежными рамами рассчитываются не только стойки, но и верхняки. Расчеты проводятся для наиболее тяжелых условий работы крепи (на границе свыработанным пространством).

Рассмотрим случай разработки горизонтально залегающего месторождения, когда для обеспечения безопасности работ сохраняются неполные крепежные рамы в трех отрабатываемых заходках, остальные погашаются вместе с обрушением пород (рис. 7.8).[Использована методика расчёта проф. И.И. Зурабишвили]

Рис 7.8.Схемак расчету крепёжной рамы в заходке (а), эпюры действующих нагрузок (б), изгибающих моментов (в) на верхняк крепёжной рамы:

1, 2, 3 - заходки; 4 - массив руды- 5 - контур предполагаемого самообрушения.

Давление на крепежные рамыбудет возрастать в направлении от рудного массива к выработанному пространству и поэтому каждая стойка и верхнякбудут испытывать различные напряжения и деформации. В нашем случав в наиболее тяжелых условиях горного давления будет находиться заходка 1, предназначенная для погашения. Основные работы по добыче полезного ископаемого (бурение, доставка) сосредотачиваются в эаходке 3и поэтому ее креплениедолжно быть наиболее надежным.

Размеры отдельных элементов крепежных рам определяют на основании конкретных условий напряженного состояния вышележащих пород. Для этого опытным путем или расчётами горного давления определяют нагрузки на стойки и верхняк крепежной рамы, на основаниикоторых методами строительной механики рассчитывают их диаметры.

Диаметр верхняка dвыбирают на основании момента сопротивления W круглого леса по формуле

W = π d³ / 32 ≈ 0.1 d³,(7.7)

откуда d = 2.15 W^1/3.

Зная, что максимальное сопротивление изгибу σ_изг = М_max / W (где М_max - максимальный изгибающий момент), можно d определить из формулы (7.7).

d = 2.15 (М_max / σ_изг)^1/3.(7.8)

Если учесть коэффициент запаса прочности крепежного материала К_з , то формула (7.8)будет иметь следующий вид

d = 2.15 (М_max К_з / σ_изг)^1/3.(7.9)

Коэффициент запаса прочностиобычно принимают равным 1.5÷2.0.

Максимальный изгибающий момент определяется в зависимости от распределения нагрузки на верхняк:

при равномерно-распределённой нагрузке q на пролете l :

М_max = q l² /8;(7.10)

при различных усилиях Р₁ и Р₂

P₁ l₀² l₀³

М_max = R₁ l₀ - ------- - ----- (Р₂ – Р₁),(7.11)

26 l

где R₁ - реактивное усилие: R₁ = l₀ (Р₂ + 2Р₁) / 6,

l₀ - расстояние от стойкикрепежной рамы до точки максимального прогиба верхняка

l √[Р₁² + (Р₂ – Р₁) (Р₂ + 2Р₁) / 3]

l₀ = -------------------------------------. (7.12)

Р₂ – Р₁

Здесь Р₁ = q₁ b и Р₂ = q₂ b - соответственно усилия на стойки со стороны рудного массива и выработанного пространства; q₁ и q₂ - действующие напряжения на стойки; b — расстояние между крепежными рамами.

Величину М_max определяют по формулам(7.10) и (7.11), затем, подставивв формулу (7.9), находят диаметр верхняка. Стойки принимают такого же диаметра, как верхняк, но предварительно проверяют на прочность при большем осевом усилии Р₂. Если Р₂≤ [σ_сж] S_ст(где [σ_сж] - сопротивление материала стойки на сжатие; S_ст - площадь сечения стойки), то стойка будет устойчивой.

Верхняки в заходках 1 и 2 (см. рис. 7.7) будут нагружены равномерно-распределенной нагрузкой и расчеты М_maxможно вести по формуле (7.10); значение q может быть значительно выше, чем q₁ и q₂.В результате крепежные рамы, принятые ранее для заходки 3,будут деформироваться, что и наблюдается на практике.

Каменная крепь применяется в виде искусственных опор или полос из бутового камня на песчано-цементном растворе.- Отдельные столбы - опоры возводятся и очистных забоях по мере подвигания работ, полосы выкладываются взамен междублоковых и междуэтажных целиков до начала отработки блока или с некоторым опережением. Материал и размеры каменных опор выбираются на основании конкретных горно-геологических условий. Из-за трудности механизации работ и больших объемов ручного труда возведение каменной крепи требует значительных экономических затрат. Поэтому этот вид поддержания наибольшее распространение получил при отработке жильных месторождений ценных руд или опасных по горным ударам (Индия, Южная Африка) При больших объемах работ по креплению этот способ поддержания становится нецелесообразным и его заменяют закладкой выработанного пространства.

Накалийных и марганцевых месторождения, залегающих в слабых осадочных породах и характеризующихся достаточно выдержанными условиями залеганий (сравнительно постоянная мощность, горизонтальный или пологий угол падения), применяют системы разработки длинными столбами с обрушением пород. Для крепления очистных забоев применяют металлические стойки и различного типа передвижные механизированные комплексы. Конструкции применяемых крепей для поддержания очистных забоев - лав аналогичны тем, которые широко используются при разработке пологих угольных пластов. По этим вопросам имеется обширная специальная литература и поэтому изложение вопросов технологии применения механизированной передвижной крепи здесь не приводится.