Для начала рассмотрим простейший вариант интеграции полей деформаций карьера и подземного рудника, располагаемых строго по вертикальной линии, на примере алмазоносного месторождения «Мир».
Ранее мы анализировали полученные при компьютерном моделировании зоны деформирования вмещающих пород при возможной комбинированной разработке месторождения (подземная технология с обрушением руд и пород).
Задача решалась методом конечных элементов в упругой постановке для получения максимальных значений напряжений в критических точках массива и в упругопластической постановке для установления границ и местоположения зон неупругого деформирования пород. Выработанное пространство предполагалось незаполненным для получения максимальных значений напряжений (заполнение выработанного пространства обрушенными породами или иным материалом приведет к улучшению устойчивости массива).
Полученные результаты по напряженно-деформированному состоянию прикарьерного массива пород позволили выделить зоны пластического деформирования пород (где не выполняются условия прочности по растягивающим или срезающим напряжениям в соответствии с критериями Кулона-Мора) и общую зону влияния выемки карьера на массив и земную поверхность (рис. 15.31 и 15.32).
В результате, граница зоны влияния карьера аппроксимирована линией B'D, обобщенно огибающей зону влияния выемки карьера на массив и земную поверхность (рис. 15.33).
Зона совместного влияния карьера и подземных очистных работ очерчивается линией B'F'G.
Зона опасных деформаций (трещинообразования) оценивалась с помощью критерия Орована-Стро [формула (15.32)] с использованием данных распределения соответствующих напряжений, полученных при решении задачи на компьютерной модели.
Картина распределения зон пластических деформаций (рис. 15.32, а) наряду с отмеченным ранее (см. рис. 15.31) отражает определенную зональность: В'С' — участок преимущественного воздействия растягивающих напряжений; M'D — воздействия сдвиговых напряжений; CM' — участок совместного их воздействия.
Границы зон опасных деформаций при обособленной работе карьера обозначены линией CE', при комбинированной разработке — линией C'F'G (рис. 15.32 и 15.33). Это потенциальные линии обрушения пород.
Дальнейшее углубление подземной разработки ниже гор. -360 м не оказывает воздействия на пространственное развитие зоны влияния карьера. Следовательно, начиная с гор. -360 м, при дальнейшем опускании фронта подземных очистных работ деформации пород на контуре выемки будут зависеть только от местных условий и не будут превышать 30—60 м в глубину массива. Это обусловлено зажатостью массива в пределах криволинейной в плане и ограниченной по простиранию выемки.
Интересно проследить изменение напряжений, вызывающих трещинообразование, в области наибольших их концентраций. На графике, изображенном на рис. 15.34 показано изменений этих напряжений вдоль линии горизонтов 525—530 м. Можно заметить, что наибольшие касательные напряжения при комбинированной разработке превышают таковые при открытой разработки в 1,15—1,20 раза при одновременном увеличении площади зоны пластических деформаций (см. рис. 15.32).
Таким образом:
1. Деформации земной поверхности в результате открытоподземной разработки месторождения «Мир» будут определяться влиянием карьера. Граница зоны влияния карьера на поверхности обозначается точками В и В'.
2. В массиве горных пород граница зоны влияния карьера до начала подземных работ проходит по линии BDB', а границы зон опасных деформаций — по линиям CE и CE’.
3. Граница зоны совместного влияния карьера и подземной выемки определяется линией BFGF'B'. Зона опасных деформаций массива при этом оконтуривается линией CFGF'C. Сдвиговые напряжения в зоне их концентрации (область т. Е) увеличиваются в 1,15—1,20 раза.
4. Сооружение вертикальных шахтных стволов и зданий промплощадок подземного рудника для большей надежности рекомендуется предусмотреть на расстоянии не менее 100 м от границ зоны влияния карьера, т.е. точек В и В'.
5. В массиве горных пород долговременные подземные сооружения следует располагать вне пределов зоны опасных деформаций, т.е. за линией CFGF'C.
Для последовательной открыто-подземной комбинированной разработки характерна повторная деформация подработанного массива пород.
Такая ситуация встречается часто не только как основной пока вариант комбинированной разработки, но и в связи с разработкой сближенных рудных залежей.
Задача в общем виде заключается в изучении разновременного воздействия горных работ на один и тот же массив горных пород и поверхность.
Анализ опыта последовательной открыто-подземной разработки показывает, что к началу проявлений деформаций массива под влиянием подземных работ деформации от открытых разработок, как правило, завершаются. Кроме того, такая формулировка граничных условий позволяет выявить наибольшие суммарные деформации подработанного массива.
Опыт разработки свиты пластов на угольных месторождениях показывает что подработка уже нарушенных массивов имеет свои особенности. Прежде всего это касается условий активизации повторных деформаций массива пород и земной поверхности.
Механизм этого процесса может быть объяснен следующим образом.
Естественный массив горных пород в результате воздействия указанных ранее усилий находится в состоянии всестороннего сжатия.
При наличии в массиве горных выработок (карьерной выемки, подземных, особенно очистных выработок) часть его, находящаяся в зоне влияния указанных пустот, разгружается, т.е. сжимающие усилия уменьшаются, и горные породы перемещаются в сторону выработанного пространства и земной поверхности (рис. 15.35).
Перемещения пород обусловлены совместными проявлениями двух факторов: упругого восстановления и разуплотнения массива, последние частично переходят в область необратимых деформаций.
Поэтому при дальнейшем развитии деформаций подработанного массива, т.е. при вторичном сжатии и уплотнении пород массив прежней степени сжатия не получает.
При вторичной подработке этого массива пород его повторное расширение будет меньше предыдущего, что приведет к значительным перемещениям. Так, при проведении большого объема инструментальных наблюдений на месторождениях установлено, что повторная подработка массива подземными выработками вызывает оседания земной поверхности, в 1,3 раза превышающие предыдущие, т.е. от первичной подработки.
Поясним отмеченные ранее положения на примерах.
Итак, образование горной выработки в массиве горных пород вызывает перемещение его точек в сторону выработанного пространства.
Векторы перемещений направлены к центру выработки, а величины их зависят от нескольких факторов: напряженного состояния пород, их способности к упругому восстановлению и разуплотнению; пространственного угла между направлением вектора перемещений и направлением ускорения свободного падения g.
Образование карьерной выемки в итоге вызывает перемещения точек массива в зоне влияния выработки в сторону карьера (рис. 15.35). В результате сочетания указанных ранее факторов в данном случае перемещение точек массива ограничится его расширением, что приведет к новому положению контура выемки.
Однако такой характер деформаций массивов пород в бортах карьеров вызывает существенное снижение их прочности.
Например, исследования на карьере Донского рудоуправления выявили зональность прочностных характеристик прикарьерного массива (рис. 15.36).
Здесь зона 1, примыкающая к вероятной поверхности скольжения, характеризуется снижением прочности массива на 25—30 % относительно начальной. Откос находится в устойчивом состоянии. Зона 2 — область микроразрушений, где отмечаются раскрытия естественных трещин. В зоне 3 отражается влияние взрывов; прочность массива здесь в 4—5 раз меньше, чем в нетронутом массиве. Зона 4 — область приповерхностных деформаций с нарушениями естественной структуры массива, здесь имеются участки обрушений и осыпей.
Глубина каждой из указанных зон снижения прочности массива составляет 4—10 м.
Наряду с формированием законтурных зон по разупрочнению прибортового массива выделяются также участки различной степени деформированности вследствие структурной неоднородности пород. Так, из рис. 15.31 видно, что разные по первоначальной прочности породы формируются также в различные по размерам и интенсивности зоны пластического деформирования (трещинообразования) пород.
И, наконец, рассмотрим такое понятие, как «зона влияния» горной выработки, в данном случае — карьерной выемки.
Единых критериев для обозначения границ зоны влияния пока нет. В большинстве случаев в качестве критериев принимают численные значения допустимых деформаций, используемые для оконтуривания зоны сдвижения пород при открытой или подземной разработке.
Экспериментами на моделях из оптически чувствительных материалов установлено, что по критерию изменения напряжений зона влияния карьера от его контура распространяется в горизонтальном направлении на 0,7—0,8 ширины карьера, в вертикальном — на 1,3—1,5 глубины карьера (рис. 15.37 и 15.38).
Ранее мы отмечали, что в отдельных случаях такая зона под дном карьера распространяется на расстояние в 3—4 и более его глубины.
На рис. 15.33 показана граница зоны совместного влияния карьера «Мир» и очистных выработок подземного рудника, найденная по критерию обнаруженных на моделях изменений наибольших касательных напряжений (линия B’F'GFB). В данном случае в горизонтальном направлении (на уровне поверхности карьера) эта область определяется влиянием только карьера и составляет 0,25 его ширины.
- Управление деформированием подработанных массивов пород в зонах совместного влияния карьера и подземных выработок
- Некоторые положения механизмов деформирования и разрушения пород
- Неоднородность массивов горных пород
- Естественные поля напряжений в массивах горных пород
- Системы с искусственным поддержанием очистного пространства
- Системы разработки с естественным поддержанием подработанной толщи пород
- Системы разработки с обрушением руды и пород
- Особенности инвестирования строительства подземного рудника
- Особенности технологий подземных горных работ при комбинированной разработке руд
- Использование и размещение вскрышных пород