» » Особенности геомеханических задач при комбинированной разработке

Особенности геомеханических задач при комбинированной разработке

23.08.2016

Анализ основных геомеханических задач каждой в отдельности и их совокупности является необходимым условием принятия решений при совместной и повторной разработке рудных месторождений. При анализе удобно придерживаться приведенной классификации способов разработки рудных месторождений.
При совместной разработке месторождения возникает необходимость решения следующих геомеханических задач.
1. Определение размеров допустимых горизонтальных и вертикальных обнажений пород. Это — одна из определяющих задач, от решения которой зависит целый ряд вопросов рационального и безопасного ведения горных работ: установление безопасных параметров и режимов работы карьерного оборудования над пустотами; выяснение степени сейсмического воздействия взрывов в карьере на состояние подземных камер и др. Важно также знать допустимые вертикальные обнажения пород в пустотах, выходящих на уступы карьера.
2. Определение безопасной толщины потолочного целика над подземными пустотами (между уступами карьера и подземными пустотами). Задача примыкает к предыдущей, и они взаимосвязаны. Выход потолочины верхней плоскостью в карьер накладывает определенные условия на методику решения задачи. Существенно осложняющими расчеты факторами являются наличие на верхней поверхности потолочины работающих карьерных механизмов и людей, производство периодических мощных взрывов в карьере.
3. Определение размеров опорных целиков при проведении подземных разработок под дном и в бортах действующего карьера. Напряженно-деформированное состояние опорных целиков в зоне влияния карьера будет отличным от состояния аналогичных целиков вне зоны карьера. Условия их прочности и устойчивости будут в отдельных случаях совершенно иными. Все это обусловливает самостоятельную, отличную от распространенных методику определения их размеров.
4. Определение размеров барьерных целиков. Назначение барьерных целиков при совместной разработке месторождений разнообразно, и функции их неравнозначны. Они могут быть оставлены для изоляции подземных горных выработок от карьера, локализации в определенном направлении процесса сдвижения горных пород, для перераспределения напряжений в близлежащей части массива горных пород, для изоляции затопленных участков и т. п. В каждом случае требуется определить минимальные размеры, форму и местоположение барьерного целика, обеспечивающие и его назначение, и наименьшие потери полезного ископаемого.
5. Установление наиболее рациональных порядков ведения подземных горных работ и схем развития карьера. Известно, что устойчивость подрабатываемого борта карьера зависит не только от абсолютных величин подработки (размеров, глубины и размещения в откосе подземных выработок). Существенным здесь является направление развития фронта подземных работ от откоса, к откосу, параллельно ему, нисходящая или восходящая отработка и т.д. Для достижения наиболее рациональных геомеханических режимов небезразлично, как будут развиваться горные работы в карьере относительно подземных выработок. Следует заметить, что решение этой группы задач имеет значение не только с точки зрения геомеханической. Большой комплекс технологических, технико-экономических и организационных вопросов совместно работающих рудника и карьера определяется решением задач о порядке развития горных работ. Поэтому здесь уместно ставить также задачу оптимизации частных решений.
6. Изучение напряженного состояния подработанных бортов карьеров. Эта задача может быть также отнесена к категории определяющих, так как ее решение является основой для решения группы других задач. Напряженное состояние подработанного борта карьера в весьма сложной форме зависит от множества факторов, в том числе от размеров и числа подземных выработок, их положения относительно откоса борта, динамики горных работ. При наличии осложняющих геологических и гидрогеологических факторов эта задача становится исключительно трудноразрешимой.
7. Выбор способов погашения подземных пустот для обеспечения безопасности карьерных работ. Применение каждого из способов (закладка пустот, обрушение окружающих пород, изоляция) сопровождается различным геомеханическим эффектом в окружающем массиве горных пород. Все это исключительно важно как для решения локальных задач (устойчивость опорных целиков или потолочин, устойчивость уступов, транспортных берм и т.д.), так и в масштабах месторождения в целом (устойчивость откоса борта карьера, развитие сдвижения или обрушения пород в больших масштабах).
8. Изучение особенностей развития деформаций подработанных бортов карьеров. Даже у неподработанных карьеров деформация бортов развивается различно в зависимости от условий залегания пород и силовой обстановки. Тем не менее основные закономерности этих деформаций чаще всего можно прогнозировать с достаточной для технических целей точностью. Ho наличие в борту или под дном карьера динамичного комплекса подземных выработок существенно усложняет эти закономерности.
9. Изучение влияния откоса борта карьера на распределение и значения напряжений в опорных, барьерных и потолочных целиках. Характер нагружения всех видов подземных целиков в зоне влияния откоса борта карьера меняется. Изменяются также роль и соотношение нормальных и касательных напряжений в потере устойчивости и прочности целиков. Вместе с этим появляются возможности управления напряженным состоянием целиков.
10. Изучение особенностей развития сдвижения и обрушения пород при подземных разработках в бортах карьеров. Решение этой задачи весьма сложно (особенно для скальных пород) и важно в условиях совместной разработки, когда зона сдвижения и обрушения пород выходит на поверхность непосредственно на участках действующего карьера.
11. Изучение закономерностей воронкообразовання в зоне карьера при подземных работах с обрушением. С одной стороны, внезапное появление воронки обрушения на участке карьера может иметь катастрофические последствия, с другой, — прогнозирование ее развития способствует сокращению сроков простоев участка карьера в связи с выходом воронки на поверхность.
12. Изучение влияния массовых взрывов в карьере на устойчивость целиков и потолочин подземных камер. Для отбойки горной массы на уступах карьера используют весьма мощные взрывы, для производства которых часто необходимы десятки и сотни тонн взрывчатых веществ на один взрыв. Достаточно сильные взрывы производят и для погашения пустот при подходе к ним уступов карьера. В результате этого подземные целики и потолочины камер испытывают многократное динамическое (сейсмическое и ударное) силовое воздействие, ослабляющее их и в конечном итоге приводящее к потере устойчивости и разрушению. Преждевременный выход из строя целиков может помимо аварий серьезно нарушить технологический ритм открытых и подземных работ.
13. Изучение влияния подземных массовых взрывов на устойчивость уступов и откосов бортов карьера. Взрывы большого количества BB в подземных камерах могут существенно ослабить не только отдельные уступы, но и участки откоса борта в целом. В совокупности с другими факторами это может стать причиной обрушений и оползней в карьере.
14. Изучение деформаций подработанных транспортных берм карьера. Деформации, связанные с подработкой при ведении подземных работ, допустимые на обычных уступах, могут оказаться неприемлемыми для транспортных коммуникаций карьера. Выявление характера и величин деформаций на этих участках будет способствовать не только принятию соответствующего требованиям порядка работ, но и разработке активных мер вмешательства в механику процессов.
15. Комплекс гидрогеомеханических задач. Многие месторождения обводнены или залегают под комплексом осадочных обводненных пород. Глубокое водопонижение, вызываемое подземными выработками, может различно сказываться на устойчивости и деформируемости верхних комплексов пород. Решение задач управления гидрогеомеханическими процессами при системах поземной разработки с обрушением обводненных пород связано с большими трудностями. При правильном решении сочетание открытых и подземных работ может дать существенный положительный эффект. Систематическое исследование и решение многих задач гидрогеомеханического профиля началось лишь в последние годы.
При последовательной подземно-открытой комбинированной разработке ситуация характеризуется динамичностью открытых горных работ и относительной статичностью подземных работ или полной их остановкой.
В этом случае, кроме многих геомеханических задач, обозначенных ранее, возникает ряд дополнительных.
1. Комплексное изучение инженерно-геологического и горнотехнического состояния пород и выработок на участке влияния первичной (в данном случае — подземной) разработки. Первоначальные состояния и свойства массива горных пород существенно изменяются после первичной разработки к моменту ведения повторных горных работ. В отдельных случаях приходится выполнять практически заново весь комплекс инженерно-геологических изысканий с последующим определением всех необходимых характеристик не только пород, но и массива закладки, обрушенных масс (если они имеются). В равной степени важно знать горнотехническую обстановку предшествующих работ: расположение, форму, размеры, состояние горных выработок и т. д.
2. Оценка устойчивости обнажений пород в подземных горных выработках. Особенность повторной разработки участка, где ранее вели подземные работы, заключается в том, что участвующие в последующих геомеханических процессах элементы подземной части общего комплекса уже заданы. Поэтому возникает задача оценки состояния и свойств элементов подземного рудника, наиболее важными среди которых можно считать обнажения горных пород.
3. Оценка устойчивости и несущей способности опорных целиков и потолочин камер (первичной разработки). Если при оценке устойчивости обнажений пород ошибка в установлении их размеров допустима до нескольких метров, то для опорного целика она должна быть не более 0,5—1 м.
4. Оценка существующих и определение размеров новых барьерных целиков. Сложность проектирования целиков в этом случае существенно выше, так как не всегда удается получить достоверные сведения об изолируемой части старых подземных выработок, труднее прогнозировать качество целика.
5. Выбор способов погашения пустот. Задача отличается от аналогичной при совместной разработке месторождений тем, что со стороны подземных выработок доступ к пустоте может быть ограничен или отсутствовать полностью. Это создает серьезные затруднения для контроля за полнотой погашения пустоты. С другой стороны, в рассматриваемом случае ограничены возможности для качественного погашения пустот и контроля за их состоянием и со стороны карьера. Все это накладывает соответствующие требования и условия при решении задачи.
Повторные разработки представляются наиболее сложными, особенно в том случае, если предшествующие горные работы проводили с обрушением налегающих пород или работы выполняли много лет назад.
Кроме геомеханических задач, приведенных ранее, здесь требуется решение задач, присущих этому варианту комбинированной разработки:
1. Выбор способа управления горным давлением или, иначе формулируя, выбор систем разработки (с обрушением, с закладкой, с поддержанием очистных камер и т.д.). При решении этой задачи, кроме общеизвестных факторов, необходимо учитывать состояние уже нарушенного подземными работами массива, прогнозировать возможное поведение его при повторной подработке.
2. Изучение воздействия ранее отработанных участков (или зон их влияния) на напряженно-деформированное состояние пород при повторной разработке. Как на ранее отработанных участках, так и в близлежащем массиве пород первоначальное поле напряжений существенно искажается. Происходят значительные деформации, а местами и разрушение пород. Все это, несомненно, влияет на формирование напряжений и развитие деформаций пород в зоне ведения повторных горных работ.
3. Изучение характеристик вторичного сдвижения массива подработанных горных пород. Поскольку изменились условия, сдвижение горных пород при повторной подработке одного и того же участка также должно измениться. Нужно отметить, что подобная задача в горной науке практически не разработана.
4. Изучение состояния и свойств подработанного массива пород с целью проведения в нем горных выработок. Эта задача специфическая. Для ее решения необходимо сформулировать условия проходки, способы проходки, вид крепи и требования к ней.
5. Изучение устойчивости обнажений массивов подработанных ранее пород или массивов закладки. При повторной разработке месторождения часто встречаются с проблемой выемки старых междукамерных или панельных целиков, потолочин камер. Последние могут иметь закладку, физико-механическое состояние которой определяет и технологию очистных работ в целиках.
6. Определение несущей способности целиков, сооружаемых в ранее подработанном массиве пород или массиве закладки. Задача тесно связана с предыдущей, решение ее позволяет эффективно изменять технологические схемы отработки, а также более гибко управлять геомеханическими процессами.
При последовательной открыто-подземной комбинированной разработке геомеханическая ситуация отличается наибольшей простотой в сравнении с предыдущими схемами.
Из задач, специфических для данной схемы, можно назвать оценку устойчивости уступов и откоса борта карьера. Могут также возникнуть задачи гидрогеомеханического порядка.
Опыт эксплуатации месторождений полезных ископаемых и строительства различных сооружений показывает, что явления и процессы, происходящие в массиве горных пород (также как и условия, в которых они совершаются), сложны и разнообразны. Попытки разработать обобщенную теорию с использованием современных представлений физики и механики не дали удовлетворительных результатов. Предложенные методы решения геомеханических задач не отражают всего многообразия факторов и особенностей их влияния на конечные результаты процессов в массиве пород. В этом случае многое зависит от правильности выбора модели (математической или физической) изучаемой среды или условий задачи.
Сведения о геомеханических процессах, происходящих в массиве горных пород, получают, как правило, путем испытаний в лабораториях и сравнительно простых испытаний напряженного состояния в натуре и других упрощенных условиях. Реальный массив горных пород испытывает сложное воздействие многих силовых полей. Точную картину этого воздействия получить пока еще не удается.
Эти и другие трудности вынуждают исследователей подбирать различные приближенные физико-механические и математические модели реальной среды и процессов. Надежность получаемых результатов и рекомендаций определяется степенью приближения выбранной модели к реальному массиву горных пород.
Для учета многих особенностей конкретного массива горных пород (особенно скальных) и процессов, происходящих в нем, в современной геомеханике применяют комплексные методы исследований, включающие в себя аналитический, экспериментальный и статистический. Разумное использование возможностей каждого из них рационально и, по-видимому, обязательно. Комплексный подход на данном этапе познания в большинстве случаев — единственно верный путь получения правильных практических выводов и рекомендаций.