Разработка рудных месторождений » 2. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ВЫХОДА ВОРОНОК ОБРУШЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ » 2.2. Расчет воронок обрушения и естественных потолочин при системах разработки с обрушением руды и вмещающих пород
Геология сегодня
Подземная разработка твёрдых полезных ископаемых, совокупность работ по вскрытию, подготовке месторождения и выемке полезного ископаемого (руд, нерудных полезных ископаемых и углей)
Разделы проекта:
- Совместная разработка
- Прогнозирование обрушения
- Проветривание разработок
- Взрывные работы
- Карьерные выработки
- Подземные выработки
- Безопасность работы
Совмещение открытого и подземного способов разработки в пределах одного выемочного поля накладывает на ведение подземных горных работ ряд ограничений, требует особой организации труда, решения специфических для совместной разработки технических задач, диктует условия применения подземных систем разработки и производства взрывных работ....
прочитать полностью
Подземная разработка полезных ископаемых при совмещении работ может производиться системами с обрушением налегающих пород или поддержанием выработанного пространства естественным или искуссхвенным способами. В этих случаях имеет место временное обнажение кровли на период образования компенсационных камер и отработки камер первой очереди до их закладки, что при наличии в кровле рыхлых, обводненных, пластично-глинистых пород ведет к потерям полезного ископаемого
прочитать полностью
Партнеры:
независимая автоэкспертиза - осуществление компетентными экспертами
Свежие материалы:
- Подземный способ разработки с предварительным удалением
- Контроль за пустотами и их погашение
- Деформация и укрепление уступов
- Организация работ и календарь совмещения
Статистика:
2.2. Расчет воронок обрушения и естественных потолочин при системах разработки с обрушением руды и вмещающих пород
Начало и интенсивность процесса обрушения являются функцией пролета, площади и формы обнажения и зависят от структуры и физико-механических свойств налегающих пород. В связи с этим минимальная площадь обнажения, с достижением которой начинается обрушение, характерна только для данного месторождения или состава налегающих пород.
Так для Риддер-Сокольного рудного поля (Лениногорский полиметаллический комбинат) эта величина для глинистых сланцев равна 2000 м2, а для микрокварцитов — 5000 м2.
После взрыва временных целиков-опор начинается интенсивное обрушение кровли. Оно происходит в виде отслоений пачек или вывалов отдельных глыб налегающих пород до выхода на поверхность или образования свода естественного равновесия. Коэффициент разрыхления обрушающихся пород в этой стадии равен 1,2—1,4. Значения коэффициента разрыхления (kv), полученные на основе наблюдений на Лениногорском руднике, приведены в табл. 2.1.
Как показали исследования, значение kv следует умножать на 0,85—0,9 (коэффициент вторичного разрыхления), если над обрушаемым массивом залегают ранее обрушенные породы.
Свод или зона естественного равновесия образуется линь при определенных, имеющихся в данный момент, условиях. Любое изменение этих условий может привести к нарушению равновесия и вызвать дальнейшее обрушение налегающих пород.
К воздействиям, вызывающим перераспределение напряжений, относятся: сейсмическое действие взрывов, дренаж воды через свод обрушения, обрушение налегающих пород соседних блоков, проходка горных выработок в зоне опорных участков свода обрушения.
При изменении состояния равновесия в первую очередь обоу-шаются замок свода и близлежащие участки, наиболее чувствительные к изменению параметров равновесия. При новом воздействии различных факторов опять следует обрушение и образуется новая зона устойчивого равновесия.
Исследованиями В. Риттера, Р. Квапила, В. В. Куликова. В. И. Игнатьева [8, 14, 15] и др. установлено, что свод, естественного Равновесия имеет параболическую форму и описывается уравнением типа
При образовании воронки провала на поверхности первоначально снизу происходит обрушение. Затем в определенный момент, когда между поверхностью и вершиной свода обрушения остается потолочина (целик), которая уже не в состоянии выдержать давления налегающей толщи пород, наступает разрыв сплошности потолочины и ее пролом. Форма воронки провала чаще всего цилиндрическая.
При достаточно большой мощности налегающих пород и определенных физико-механических свойствах может произойти подбучивание кровли обрушившимися разрыхленными породами. Дальнейшее обрушение в этом случае будет сильно замедлено или вовсе прекращено. Оно может происходить лишь за счет уплотнения обрушившихся разрыхленных пород до конечного коэффициента разрыхления kv= 1,044-1,05. Обрушение будет проявляться в виде плавных прогибов, трещин, незначительных подвижек. Выход такого обрушения на поверхность и засыпка его — гарантия безопасной работы в данном районе. Если обрушение вышло на поверхность после массового взрыва подземного блока и маркшейдерскими наблюдениями подтверждена равномерность осадки обрушенных пород в воронке по мере выпуска руды из подземного блока, то это может служить основанием для организации работ по совмещению открытого и подземного способов разработки в данном районе. Обязательным условием совмещения должна быть систематическая засыпка воронки обрушения по мере опускания горной массы, засыпка - появляющихся прогибов, трещин и постоянный маркшейдерский контроль за интенсивностью и характером оседания поверхности. Так работают на Андреевском карьере Лениногорского рудника и Мукуланском карьере Тырныаузского вольфрамо-молибденового комбината.
Если в районах с выходом воронки обрушения на поверхность невозможна систематическая подсыпка воронки обрушения до поверхности, то ведение открытых работ приостанавливается до полного выпуска руды из блока и прекращения сдвижения поверхности. Для рудников Лениногорского полиметаллического комбината срок окончания сдвижения пород и возможного начала работ на поверхности в этом районе определен ВНИИцветметом в один год. Методическими указаниями ВНИМИ по охране поверхности для месторождений цветных металлов установлена взаимосвязь сдвижения с глубиной подземной разработки: 100 м — 1 год; 101—200 м — 2—2,5 года; 201—300 м — 3 года. Сроки сдвижения для ведения карьерных работ должны быть определены путем исследований конкретно для каждого месторождения с учетом того, что незначительное трещинообразование и прогибы не представляют опасности для людей и оборудования, находящихся в карьере.
Рассмотрим наиболее часто встречающиеся случаи развития обрушения налегающих пород:
обрушение развивается равномерно над всей площадью выработанного пространства (рис. 2.1, а);
обрушение идет по эллиптическому полуцилиндру, имеющему осью и боковой образующей длину выработанного пространства, малой осью эллиптического сечения—ширину выработанного пространства, а большой полуосью— высоту обрушения (рис. 2.1,6);
обрушение идет по эллиптическому параболоиду (рис. 2.1,в).
Рассчитаем основные прогнозируемые параметры обрушения, обозначив глубину воронки провала Лв, высоту обрушения налегающих пород Лоб, мощность остающейся потолочины h„ и приняв за основу расчета положение о компенсации образующихся пустот разрыхленными породами самообрушающейся или принудительно обрушаемой кровли.
Обозначим параметры выработанного пространства (рис. 2.1): т — мощность (высота);
Ь — ширина; I — длина; Н— расстояние от поверхности до верхней границы выработанного пространства; fep —коэффициент разрыхления.
Распространение обрушения над всей площадью выработанного пространства характерно для слепых рудных тел при малоустойчивых и сильно трещиноватых налегающих породах, а также при принудительном обрушении кровли (рис. 2.1, а).
При выходе обрушения на поверхность высота его будет равна мощности налегающих пород. Распространяясь на всю площадь выработанного пространства, обрушающийся объем налегающих пород, равный НЫ, заполнит пустоту на высоту Hkv. Разница между высотой Н--т и высотой, заполненной обрушившейся разрыхленной горной массой, Hkp и будет глубиной воронки обрушения
Формула справедлива только при положительных значениях hB. При отрицательном hB результат не имеет физического смысла, так как увеличение объема обрушающейся горной массы больше объема выработанного пространства (AV06>AVB.n), т. е. обрушение не выйдет на поверхность.
Форма воронки провала со временем изменяется из-за обрушения бортов. Абсолютная глубина воронки уменьшается, и ее форма трансформируется в подобие опрокинутого усеченного конуса. о крепких скальных породах первоначальная форма воронки мо-*ет сохраниться до конца выпуска (рис. 2.2).
Прогнозирование выхода обрушения на поверхность при производстве массового взрыва в подземных выработках ведется в две стадии. Первая стадия — на момент массового взрыва с учетом того, что выработанное пространство частично заполнено взорванной рудой. Вторая стадия — после полного выпуска руды. При расчете обрушения второй стадии следует учитывать возможный перевыпуск расчетных объемов руды из-за отслоений от бортов и кровли, что естественно увеличивает объем выработанного пространства.
Расчет обрушения поверхности на момент массового взрыва производим следующим образом:
где Vn — объем пустот, образующихся у кровли блока после массового взрыва, м3; У0ащ—полный объем добычного блока, равный сумме объемов пустот компенсационных камер, горных выработок, взрываемых целиков и потолочин, м3; Уц — объем взрываемых целиков И ПОТОЛОЧИН, М3.
Определив теоретически возможный объем пустоты у кровли блока после массового взрыва по формуле (2.3), находим высоту подкровельной пустоты
и по формуле (2.2) определяем глубину воронки при m = hnyCT.-
Отрицательное значение hb, полученное по формуле (2.2), показывает, что обрушение не выйдет на поверхность, так как произойдет самоподбучивание кровли обрушившейся горной массой.
Если обрушение распространяется на всю площадь выработанного пространства без образования свода естественного равновесия, то для заполнения образовавшейся пустоты (в общем случае — объема выработанного пространства) и самоподбучивания зоны обрушения необходимо, чтобы разрыхленный объем обрушившихся налегающих пород был равен сумме объема выработанного пространства и обрушающегося объема налетающих пород в не-разрыхленном состоянии, т. е.
Формула (2.8) справедлива только при положительных значениях йп, так как высота обрушения fto6, определенная по формуле (2.7), не может быть больше высоты налегающих пород.
Распространение обрушения над всей площадью выработанного пространства — явле.ние относительно редкое. По законам горного давления обрушение над любой горной выработкой идет с образованием сводов естественного равновесия. Свод имет параболическую форму
или для наших параметров
где bi/2 — предельный полупролет обнажения кровли, м; р — параметр параболы (расстояние от фокуса до директрисы), численно равный радиусу кривизны вершины параболы, м.
Высоту обрушения налегающих пород над выработанным пространством находим из выражения
8pИз формулы (2.10) следует, что й0б зависит только от пролета обнажения и физико-механических свойств налегающих пород, выражающихся через радиус кривизны вершины параболы. Формулы (2.9) и (2.10) отражают закономерность развития обрушения, а не сам факт обрушения, который может иметь место лишь при превышении определенной, характерной для конкретных пород и условий залегания, величины пролета. Исходя из условий развития обрушения по параболическому закону и исходного положения о компенсации образующейся пустоты приращением объема обру-шающейся горной массы из-за ее разрыхления, рассмотрены еще 2 случая развития обрушения над выработанным пространством.
Если обрушение развивается по эллиптическому полуцилиндру (рис. 2.1, б), то поперечное сечение тела обрушения
откуда
или
При об>Я ha имеет отрицательное значение, т. е. обрушение выйдет на поверхность на уровне отметки Я (рис. 2.3) в форме параболического цилиндра, в основании которого лежит усеченный сегмент MKCD параболы площадью
Установлено, что образующаяся при этом воронка имеет также вид параболы [14] с основанием Ь&qt;, поперечное сечение воронки будет равно площади параболического сегмента:
При h06=H выражение (2.17) не имеет смысла, так как воронка не образуется из-за того, что обрушение достигнет поверхности и его пространство будет заполнено горной массой выработанного пространства.
При отработке слепых залежей на обособленных участках, когда ширина и длина обрушения примерно равны (/«1,56), для прогнозирования состояния поверхности с большим запасом прочности расчет параметров обрушения можно производить из условий обрушения налегающих пород по эллиптическому параболоиду, главными осями которого являются ширина b и длина блока (выработанного, пространства), а третьей полуосью — высота обрушения (рис. 2.1, в).
Объем сегмента параболоида равен произведению площади основания на половину высоты. В приведенном случае основанием тела обрушения считают прямоугольник, площадь которого можно принять для расчета с достаточной для горного дела точностью.
При расчете параметров обрушения можно угольник, принятый за основание тела главными осями b и I, что приведет к еще большему увеличению запаса прочности.
При выходе воронки провала па поверхность для безопасного ведения работ принимаем ее площадь не менее площади обрушенного блока, вызвавшего эту воронку.
Рассмотренные случаи развития обрушения и расчета его параметров более характерны для пологих месторождений, но имеют место и для залежей крутого и наклонного падения. Особенностью обрушения над наклонной залежью является его преимущественное развитие в сторону висячего бока. Обрушающиеся породы в первую очередь пригружают лежачий бок, а висячий консольно зависает, обрушается или сползает в отработанное пространство, расширяя площадь воронки провала (рис. 2.4). Так как относительный объем сползания растет по мере отработки залежи, увеличение глубины воронки замедляется и вообще может прекратиться.
Приемлемость ранее приведенных расчетов подтверждается наблюдениями за обрушением на рудниках (Миргалимсайском — падение 20—60°; Первомайском в КриЕбассе — 80°; Тырныауз-ском — 50—90°), результатами анализа большого числа исследований по сдвижению земной поверхности под влиянием подземной разработки [16].
Для определения параметров воронки провала или потолочины найдем условие выхода обрушения на поверхность, учитывая, что над элементарным участком обрушение может происходить только над всей площадью.
Из формулы (2.2) при /гв = 0 (обрушение достигло поверхности без образования Еоронки провала) получим
Аналогичную зависимость имеем, приняв в формуле (2.7) /г0б = = Н (обрушение распространяется на всю высоту налегающих пород). Во всех точках, где соотношение обрушение выйдет на поверхность с образованием воронки (при ?р=1,2 обрушение вызовет появление воронки провала на поверхности, когда мощность налегающих пород Я меньше пяти высот выработанного пространства; аналогично при &р=1,14 имеем //< <7,14т). Определив в характерных точках отношение Н/т и соединив все точки по периметру, внутри которого соблюдается условие (2.25), получим контур воронки возможного обрушения.
Над точками, где #<т/(?р—1), по формуле (2.2) определим глубину воронок, а над точками, где по формуле (2.8) найдем мощность оставшейся потолочины. Соединив точки с одинаковыми или близкими значениями, получим планы изомощностей потолочины над выработанным пространством и изоглубин воронки провала поверхности (см. пример в 2.4). Этот способ определения зон обрушения применим как для отдельных крупных блоков, так и для отработки целых районов, гДе возможно образование нескольких воронок провала.
Для безопасности ведения работ при расчетных контурах вороНок провала следует предусматривать охранные бермы, определена которых производится в зависимости от угла обрушения поРоД, слагающих борта воронок. Бермы должны строиться не от уровня днища блока, а от расчетного уровня заполнения воронки при
Когда выше отрабатываемого участка находится ранее отработанный блок с обрушившимися породами кровли, принимают вторичный коэффициент разрыхления, равный 1,04—1,10.
Если выработанное пространство имеет сложное геометрическое строение, т. е. площади сечения его на разных высотах значительно отличаются друг от друга, то все расчеты ведут через полные объемы налегающих пород и выработанного пространства по формулам (2.2), (2.4), (2.14).
Тектонические нарушения, обводненные породы, плывуны, косогоры могут изменить характер самообрушения пород над взорванным блоком. Например, обрушение может распространиться лишь в одном направлении по тектоническому нарушению, а не над всей площадью блока. К аналогичному результату могут привести расположенные рядом с взрываемым блоком отработанные ранее участки месторождения.
Если тектонические нарушения проходят по границам блока или рядом, то, как правило, они и являются границами распространения обрушения по площади.
Следует обратить особое внимание на эти обстоятельства, если в районе взрываемого блока на поверхности находятся какие-либо сооружения.
Оглавление Дальше: 2.7. Расчет безопасной мощности барьерного целика между карьером и подземными выработками Вверх: 2. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ВЫХОДА ВОРОНОК ОБРУШЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ