» » Изменение напряженного состояния пород при подземной разработке

Изменение напряженного состояния пород при подземной разработке

02.08.2016

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.