Изменение напряженного состояния пород при подземной разработке



При проходке подземных горных выработок исчезают или резко уменьшаются (при наличии крепи) напряжения на стенках выработок. В результате на массив передаются избыточные напряжения, т.е. наблюдается перераспределение напряжений. Эта передача осуществляется через касательные напряжения. Так, при проведении горизонтальной горной выработки образуются зоны концентрации (сгущение линий) и разрежения напряжений (рис. 3.39). Размеры зоны разгрузки пород зависят не только от напряжений, но и от прочностных и деформационных характеристик пород, а также степени их структурной нарушенности.
Изменение напряженного состояния пород при подземной разработке

Более сложный вид имеет перераспределение напряжений в массиве пород при проведении очистных выработок. Здесь происходит взаимное наложение полей напряжений различных выработок или их частей в пространстве и во времени. Осложняют напряженное состояние массива при ведении горных работ тектонические напряжения, структурная раздробленность пород, их литологическая неоднородность, анизотропия свойств и др.
Развитие деформаций при ведении очистных работ в массиве вызывает сдвижение горных пород в сторону выработанного пространства. В процессе сдвижения участки массива, попадающие в зону влияния выработанного пространства, испытывают все виды деформаций: изгиб, сдвиг, растяжение, сжатие. В результате образуется область сдвижения горных пород, состоящая из зон обрушения, трещин и плавных сдвижений.
В зоне обрушения полностью теряется связь между отдельными частицами массива; они беспорядочно перемещаются в сторону выработанного пространства. Эта зона формируется только при отработке залежей системами с обрушением горных пород (естественным или искусственным) и может распространяться до земной поверхности.
В зоне трещин массив подработанных пород деформируется с разрывами сплошности, появлением трещин различной ширины и протяженности. Эта зона возникает в результате деформаций изгиба и сдвига отдельных слоев и участков породы в периферийной части массива, прилегающей к обрушенным породам. В процессе развития обрушения в пограничных участках создаются консольные зависания пород, отделенных от массива. На поверхности образуются уступы в виде террас, разделенные трещинами, параллельными границам зоны обрушения.
В зоне плавных сдвижений перемещение и деформация пород происходят без разрыва сплошности. Размеры зоны и величины деформаций зависят от прочностных и деформационных свойств пород; наибольшие характерны для слабых, рыхлых, пластически деформирующихся пород (пески, глины, сланцы и т.п.).
Мульда сдвижения представляет собой проявление сдвижения горных пород на земной поверхности. Она охватывает ту часть поверхности над выработанным пространством, точки которой претерпели вертикальные и горизонтальные перемещения. Размеры мульды сдвижения, как правило, больше проекции площади выработанного пространства.
К другим проявлениям горного давления относятся различные деформации подземных сооружений (выработок, целиков и пр.), пучение литифицированных глинистых пород, отжим пород в зоне опорного давления, стреляние, горные удары, внезапные выбросы пыли и газов.
Под действием концентрации напряжений на контуре выработка может терять устойчивость. Для блочного массива типична такая форма потери устойчивости, как вывалообразование. В относительно малопластичном массиве с поверхностями ослабления связано разрушение боковых частей выработки. Для пластичных и раздробленных пород характерно значительное уменьшение размеров площади поперечного сечения выработки вследствие вдавливания материала внутрь нее. Этот последний вид деформации пород почвы, кровли и стенок подземных горных выработок, называемый пучением, наиболее часто проявляется при разработке угольных, рудных и соляных месторождений (Никопольское, Аванское месторождения). Пучение свойственно в основном глинистым породам, имеющим незначительное сцепление и внутреннее трение. С увеличением глубины заложения выработок пучению подвергаются породы большей прочности (глинистые сланцы, аргиллиты, алевролиты, иногда песчаники).
Процессы пучения зависят от сложения породы, условий и форм ее залегания, прочности и жесткости вмещающих пород. Его развитию способствуют слоистое сложение и большая мощность перекрывающих пород, наличие обводненных прослоек и линз, тектонических нарушений. В осевой части синклинали пучение возрастает, антиклинали — уменьшается.
Следует отметить, что снижают отжимаемость прочные породные прослои и включения в угольном пласте, слабые породы кровли, трещины кливажа, а способствуют ей все факторы, повышающие горное давление на забой. Влияют на отжим угля системы разработки, длина и взаимное расположение лав, скорость их продвигания, способ управления кровлей.
Горные удары и внезапные выбросы угля и газа относятся к наиболее опасным проявлениям горного давления. Горные удары возникают при высокой прочности и жесткости вмещающих пород и способности их накапливать энергию упругой деформации. Они наблюдаются на участках максимальных концентраций напряжений в момент их мгновенного перераспределения при нарушении сплошности высокопрочных пород кровли, прежде всего в наиболее ослабленных зонах. Горному удару предшествуют обычно усиление горного давления на целики и крепь выработок, выпучивание почвы, выдавливание целиков, стреляние пород. Разрушение горных пород и угля при горном ударе носит характер внезапного взрыва.
Внезапные выбросы угля и газа (метана, углекислого) приурочены к призабойным частям угольного пласта. Начинаются они обычно с глубины 250 м, иногда с меньшей. Способствуют развитию этого явления геологические нарушения — вздутия и пережимы, флексурные перегибы, локальные разрывы угольного пласта. Частота выбросов возрастает в пределах пласта, характеризующегося увеличением угла падения и мощности. Обводненность и повышение газоносности ослабляют выбросоопасность.
Устойчивость горных пород и проявления горного давления относятся к факторам, существенно влияющим на технологию и организацию подземной разработки месторождений. Так, необходимость сохранения земной поверхности и поддержания налегающих пород исключает использование систем разработки с обрушением вмещающих пород. При остальных системах разработки увеличивают размеры постоянных целиков или применяют закладку выработанного пространства.
Обрушение вмещающих пород не нарушает земную поверхность при большой глубине разработки и малой мощности пологопадающей залежи. Считается, что глубина залегания должна превышать мощность тела полезного ископаемого примерно в 200 раз. Для сохранения водопроницаемости и, следовательно, сплошности пород при разработке залежей (например, минеральных солей) это отношение должно быть более 40. Ограничения в выборе систем разработки связаны с горным давлением на больших глубинах. Удароопасность возникает при глубине более 600 м. Месторождения в удароопасных массивах разделяют на три группы: 1) залежи небольших размеров, при которых опорное давление передается окружающему массиву за их пределами; 2) крупные залежи на глубинах от 0,6—0,8 до 1—1,5 км; 3) крупные залежи на глубинах более 1—1,5 км.
В первой группе на больших глубинах используют те же системы разработки, что и на малых, но с уменьшением камер, увеличением целиков и т.п. Для второй группы работы можно вести методом сплошной выемки без оставления пустот и целиков, без образования таких участков массива, в которых может концентрироваться опорное давление. Здесь исключаются все системы с естественным поддержанием очистного пространства, ограничено применение систем с обрушением руды и вмещающих пород. В системах с искусственным поддержанием очистного пространства используется монолитная закладка. Для третьей группы месторождений ограничения еще более жесткие, так как пригодны только системы с искусственным поддержанием очистного пространства.
Устойчивость руды и вмещающих пород относится к постоянному фактору при выборе систем разработки. При устойчивых руде и вмещающих породах приемлемы все системы разработки, кроме этажного самообрушения и столбовой системы с обрушением. Если руда устойчива, а вмещающие породы неустойчивы, то системы с естественным поддержанием очистного пространства применимы в залежах средней и значительной мощности при оставлении рудной корки у слабых боковых пород. Могут использоваться системы с отбойной из магазина и камерная система с магазинированием руды. Для всех остальных систем, кроме этажного самообрушения, ограничений нет. При неустойчивой руде (вмещающие породы любой устойчивости) разработка возможна системами с обрушением руды и вмещающих пород (в вариантах для неустойчивых руд), с креплением и последующим обрушением вмещающих пород, нисходящая слоевая выемка с твердеющей закладкой и системы с креплением.