Особенности напряжённо-деформированного состояния опорных и потолочных целиков в зоне влияния карьера

Изменение величин и направлений действия напряжений в натурных условиях, изучение характера распространения их на моделях (из эквивалентных материалов, из оптически активных материалов, компьютерных) показывают, что подземные опорные и потолочные целики при комбинированной разработке испытывают сложное напряженное состояние. Это состояние является интегральным результатом взаимодействия трех основных полей напряжений:

естественного;

обусловленного образованием карьерной выемки;

обусловленного сооружением подземных горных выработок.

Удовлетворительного аналитического решения задачи определения и прогноза параметров такого поля напряжений пока нет. Источниками изучения закономерностей формирования и изменения характеристик этого интегрального поля напряжения и вызываемых им деформаций в массиве пород и находящихся в нем сооружений являются натурные наблюдения и измерения, а также лабораторные эксперименты, включая моделирование.

Принципиальную картину формирования и развития новых или сложных геомеханических процессов (явлений) с высокой степенью адекватности натуре позволяют выявить современные физические и компьютерные модели.

При подземной разработке месторождения без обрушения налегающих пород под дном и в бортах карьера очистные камеры могут занимать различные положения относительно контуров карьера. Когда подземные горные работы получают максимальное развитие, а карьер развивается в зоне их влияния, особое внимание должно быть уделено состоянию и устойчивости подземных несущих конструкций, как наиболее слабому звену в рассматриваемой системе.

Основные особенности распределения напряжений в потолочных целиках над камерами в условиях влияния карьера рассмотрим на конкретном примере Губкинского ГОКа КМА по результатам исследований методами оптического и математического моделирования.

Губкинский ГОК проектировался для отработки железистых кварцитов открытым способом на Коробковском участке КМА. На этой же территории с 50-х г.г. прошлого столетия под мощным слоем кварцитов (70—100 м) подземным способом отрабатывался один этаж этажно-камерной системой разработки на глубинах 230—300 м. В пределах шахтного поля (4 х 1,5 км) в нескольких панелях по всей площади располагалось более 200 незаложенных камер с размерами: длина 55 м, ширина 35 м, высота 55 м. Минимальная мощность потолочного целика над камерами равнялась пролёту камер, т.е. 35 м. Предполагалось, что карьер и подземный рудник в течение значительного периода времени будут работать совместно. Принципиальная схема взаимного расположения камер и карьера приведена на рис.10.6.

Рис. 10.6. Принципиальная схема взаимного расположения камер и карьера (Губкинский ГОК, КМА).

Изолиниями показано распределение максимальных касательных напряжений.

Определение устойчивости целиков в зоне влияния откоса борта карьера для рассматриваемых условий приобретает особое значение, так как с этим связаны, в первую очередь, устойчивость борта карьера выше горизонта подземной разработки, выбор методов и последовательности ведения открытых горных работ.

При отсутствии открытой выемки и за пределами влияния борта карьера целики работают в режиме одноосного сжатия, методика расчета таких целиков достаточно известна (например, по методу Л.Д. Шевякова). По мере приближения к откосу условия нагружения целиков изменяются от режимов чистого сжатия к режиму сжатия со сдвигом. При этом в зоне влияния откоса устойчивость целиков будет определяться их прочностью на сдвиг, т.е. соотношением удерживающих и сдвигающих сил.

n = T/P.(10.7)

Сдвигающие силы по потенциальной поверхности разрушения целика в плоском сечении определяются значениями касательных напряжений и направлением их действия по отношению к вертикальной оси целика и будут равны сумме произведений τ_mах на длину участка потенциальной поверхности разрушения:

Т = Σ τ_mах S_i.(10.8)

Удерживающие силы в принципе определяются вертикальной составляющей γНдля каждого конкретного целика, но конкретно это выражается через значения нормальных напряжений, действующих перпендикулярно к потенциальной поверхности скольжения:

Р = Σ (σ^‘_n tgφ + C) S_i.(10.9)

где σ^‘_n— составляющая нормальных напряжений, перпендикулярных к потенциальной поверхности скольжения; tgφ— коэффициент трения по этой же поверхности; С — сцепление.

Значения tgφ и С получают испытанием пород по соответствующим направлениям в лабораторных или натурных условиях.

Отличие этого решения от известного решения по определению устойчивости откосов бортов карьера в том, что поверхность потенциальной линии разрушения в целиках и действующие по этому направлению напряжения τ_mах определяются не расчетом, а моделированием конкретных условий отработки.

При моделировании рассматриваемой горнотехнической ситуации установлено:

· по мере увеличения глубины карьера устойчивость целиков в зоне влияния борта карьера снижается;

· влияние глубины открытой разработки на междукамерные целики проявлялось в увеличении напряжений в целиках пропорционально глубине карьера;

· в зоне влияния борта карьера изменяется характер работы целиков. Определяющими для устойчивости этих целиков будут не напряжения сжатия, а касательные напряжения, причем потенциальная поверхность разрушения в целиках практически параллельна откосу борта карьера;

· в наибольшей степени влияние карьера сказывается на устойчивости первых трех, ближайших к откосу борта целиков;

· устойчивость целиков возрастает по мере приближения к откосу;

· увеличение размеров горизонтальной площадки над камерами незначительно снижает значения τ_mах в одноименных целиках, направление их действия практически не изменяется и, как следствие, при этом устойчивость целиков под бортом карьера повышается незначительно;

· закладка камер, примыкающих к откосу борта карьера, является одним из возможных способов уменьшения нагрузки на целики. При этом в междукамерных целиках уменьшаются максимальные касательные напряжения и тем самым повышается устойчивость целиков;

· с увеличением угла откоса борта карьера максимальные касательные напряжения увеличиваются, устойчивость целиков уменьшается. Влияние угла откоса в наибольшей степени сказывается на ближайшем к откосу целике.