CC BY
34
СЕМИНАР 5
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99
99"
Д.А. Кононов, студент, МГГУ
Определение условий устойчивости выработок днища блоков
Проблемы управления горным давлением была и остается одной из важных и актуальных в горном деле. В системах разработки месторождений с массовым принудительным обрушением особое внимание уделяется обеспечению устойчивости выработок оснований блоков.
В породных массивах действует множество факторов снижения их прочности: геологическая неоднородность, трещиноватость, ведение горно-подготовительных, нарезных и добычных работ буровзрывным способом, неравномерность воздействия горного давления вследствие природной тектоники и ведения подземных горных работ.
Днище блока воспринимает нагрузки статического характера от давления налегающих пород и динамические от взрывных работ (массовых взрывов при отбойке, ликвидации зависаний и вторичного дробления) и выпуска руды - истирания выпускаемой горной массы.
Определим условие необходимой прочности и устойчивости массива, разрушаемого за счет истирания рудой при выпуске.
Запишем условие устойчивости массива по поверхности воронок на контакте с выпускаемой рудой:
Рнагр ^[°м ] , (1)
где Fнагр. - нагрузка, приходящаяся на единицу площади воронки, (МН/м2); [<Гм ] - предел прочности массива горных пород в основаниях блоков, (МПа).
Учитывая факторы снижения прочности массива горных пород, Малахов выразил прочность породного массива в следующем виде:
к ] = 100/ -К,,
где / - коэффициент крепости (по Протодьяконову); К, - коэффициент, учитывающий ослабление прочностных свойств массива по отношению к кубиковой прочности.
Коэффициент К, определяется из выражения:
К, = 1 - (К_ + К„ н. + Квт +Ки +... + Кдоб),
где К геол , К доб, К пн - коэффициенты ослабления массива соответственно из-за геологической неоднородности, ведения очистных и подготовительно-нарезных работ; Квт - коэффициент ослабления пород от работ по вторичному дроблению руды; К - коэффициент, учитывающий разрушение массива истиранием потоком
руднои массы при выпуске.
Для определения нагрузки, приходящейся на выпускные выработки, рассмотрим распределение сил на контактах отбитой руды с поверхностью выпускных воронок.
Давление столба руды и породы (Р) можно разложить на две составляющие: Р • cos а и Р • sin а (разрушающая и скатывающая, соответственно).
Нагрузка, приходящаяся на единицу площади воронки, определяется по формуле:
Р
F.__ = _рр (2)
нагр.
S.
Зная основные параметры выпускной воронки (верхний диаметр и диаметр горловины воронки, угол наклона воронки к горизонту), а также высоту столба обрушенной руды и породы, коэффициент разрыхления и средний удельный вес руды, получаем:
F = Нст • DB у • c°s2a
нагр.
К р '(D; - Dip)
(3)
Используя, полученную Малаховым, зависимость давления потока руды от рода и порядка выпуска вводим коэффициент Кдин , учитывающий динамику процесса выпуска, К дин < 1.
Кдин может существенно отличаться от рода и порядка выпуска:
♦ эшелонированный и ступенчатый выпуск в направлении от выработанного пространства к массиву и эшелонированный выпуск от центра к флангам, Кдин = 0,85 * 0,95 - принимает максимальные значения;
♦ эшелонированный и ступенчатый выпуск в направлении от массива к выработанному пространству,
К дин.= 0,82 * 0,85.
♦ одновременный эшелонированный выпуск от
массива к центру площади обрушенного блока, Кдин = 0,55 * 0,57 - принимает минимальные
значения.
Сравнивая эти значения и подставляя в формулу для Fнагр. становится ясно, что нагрузка зависит от темпа, скорости истечения рудной массы. И чем меньше Кдин , тем меньше нагрузка, приходящаяся на
днище блока.
Л.И. Бароном было установлено, что наибольшее
разрушающее влияние оказывает сила трения. В данном случае, рассматриваемые силы, наиболее значительные по величине и равные Р • sin а , оказывают влияние на поверхность воронки выпуска посредством истирающей силы. Тогда целесообразно рассмотреть саму силу трения, которая и является причиной разрушения поверхности воронки. Трение в обрушенной руде является одним из сложнейших явлений, величина которого зависит от крупности кусков, плотности руды, внешнего воздействия.
В исследованиях по механике грунтов К. Теруаги предложил различать несколько видов трения (трение состояния покоя, движения, скольжения, качения).
По Л.И. Барону главными факторами, определяющими режим процесса при трении скольжения, являются, во-первых, скорость скольжения (рассматриваемый выше Кдин учитывает эту скорость) и, во-
вторых, величина скальных контактов.
При выпуске контакты движущихся кусков отбитой руды с поверхностью воронки имеются лишь по поверхностям их соприкосновения. Очевидно, что нагрузка от столба руды распределяется не на всю поверхность воронки, а лишь на места соприкосновения кусков руды с ее поверхностью. Учитывая этот факт, запишем выражение для определения FHap:
F = У -Нст • DB • COs2a Кдим. (4)
н"р' К р -D; - Dip) К с.,-К,'
где К к - коэффициент скальных контактов.
Проводя зависимость между FHap и К ск выходит, что чем меньше К , тем больше FHazp.. И, наоборот,
увеличивая площадь контакта мы снижаем нагрузку на поверхность воронки.
S
\Г — кон.
К с.к. = S---’
вор.
где Зкон - площадь контактов кусков руды с поверхностью воронки; Seop - площадь поверхности воронки.
Коэффициент К ск изменяется в пределах
Кск = (2 ^ 40) • 10-2. На значение Кск , по-
видимому, влияет форма куска руды.
Очевидно, на характеристику трения горных пород в сыпучем состоянии существенное влияние оказывает степень окатанности кусков. Наблюдения показали, что коэффициент трения уменьшается при разрушении острых выступов на кусках породы, а между коэффициентом трения и степенью окатанности существует
7 i 1999
обратно пропорциональная зависимость. Анализируя выражение (4), можно выявить основные факторы, влияющие на состояние воронок в днище блока при выпуске руды в конкретных горно-геологических условиях.
Используя выражение (4) строим зависимость [стм ] от Н разр при граничных значениях К ск .
Схема для определения условий разрушения выпускных воронок при различной прочности горных пород представлена на рисунке 1.
I - зона высокой прочности пород, разрушение по
Ст м ,МПа> к
150- - /
100- - 1 / II
50- "" / III /-■'I III ►
0 50 100 150 200 Нразр., м
Рис.1. Схема для определения условий разруше-
ния выпускных воронок при различной прочности
горных пород
скальным контактам отсутствует.
II - зона возможного разрушения воронок, устойчивость определяется расчетом.
III - зона с параметрами, при которых воронки разрушаются.
В соответствии с полученным результатом принимают решение о том, возможна ли отработка месторождения с принятой конструкцией основания блока, либо следует перейти на другие варианты, иные системы разработки, либо провести работы по упрочнению выпускных и доставочных выработок и их сопряжении.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузьмин Е.В. Упрочнение горных пород при подземной добыче руд. - М.: Недра, 1991
2. Барон Л.И. Характеристики трения горных пород. -М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1967
3. Терцаги К. Теория механики грунтов. - Госстрой-издат, 1961
4. Куликов В.В. Выпуск руды. - М.: Недра, 1980
5. Дубынин Н.Г., Храмцов В.Ф. Управление выпуском руды при подземной разработке. - Новосибирск:,ИГД, 1970
© Д.А. Кононов
129
