Устойчивость кровли камер Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© П. К. Гаркушин, Ю.И. Разоренов, С.Г. Евсегнеев, 2003

П. К. Гаркушин, Ю.И. Разоренов, С.Г. Евсегнеев УСТОЙЧИВОСТЬ КРОВЛИ КАМЕР

Предельная ширина пролета камер является одним из важнейших параметров разработки месторождений: с увеличением ширины камер возрастает камерный запас, уменьшается удельный расход выработок на 1000 т добычи, т. е. коэффициент технологичности системы разработки, и повышается эффективность очистной выемки. Величина предельного пролета камер зависит от геологического строения, мощности, плотности и прочности пород непосредственной кровли (несущего слоя) на растяжение или на изгиб, пригрузки от налегающей толщи пород,склонности к расслоению.

В общем случае условие равновесия выражается равенством между несущей способностью потолочины в виде балки-полоски шириною 1 м и действующей нагрузкой от ее собственного веса. Из этого условия получена формула для определения ширины первого предельного пролета камер проф. В.Д. Слесаревым [1]. Такого вида формула получена в работе [2].

В многочисленных методах оценки устойчивости кровли предлагалось учитывать коэффициент структурного ослабления пород, реологические свойства, пригрузку от налегающей толщи, глубину разработки, время устойчивого существования, запас прочности, степень защемления потолочины на опорных целиках и другие факторы. Влияние основных из перечисленных выше факторов учитывает методика ВНИМИ [3], согласно которой ширина устойчивого пролета камер определяется из формулы

А = 10' 8К"

т ■ Кс

3/(1 + Кп)пс

(1)

где Яи- предел прочности пород несущего слоя потолочины на изгиб, МПа; т - мощность несущего слоя кровли камеры, м; Кс - коэффициент структурного ослабления пород; у - плотность пород, т/м3; Кп- коэффициент пригрузки несущего слоя (0,2-0,7); п0- запас прочности (2-3). Поскольку предел прочности на изгиб превышает в 3-4 раза предел прочности на растяжение, то результаты расчетов по формуле (1) примерно совпадают с расчетами по методу В.Д. Слесарева.

В соответствии с результатами расчета по методике ВНИМИ формируется выработанное пространство размером 80х120 м на руднике Карнасурт Ло-возерского ГОКа при расстоянии между внутрибло-ковыми целиками 8-15 м [4]. Из формулы (1) можно определить толщину искусственной междуэтажной или подкарьерной потолочины в переходной зоне между открытыми и подземными работами.

Расчеты по вышеприведенной формуле (1) показали, что максимальную ширину камер при разработке калийных месторождений Предкарпатья можно принимать до 30 м при толщине несущего слоя

непосредственной кровли не менее 6 м. Практический опыт разработки калийных залежей на рудниках Калуш, Голынь, Ново-Голыпь свидетельствует о том, что в устойчивом состоянии на протяжении 30-60 лет находятся до 300 сдвоенных и строенных горловин камер шириною более 30 м, одиночные камеры Ильза шириною до 40 м на Западно-Голынском поле, К-1б шириною 20 м на участке Сивка-Калушская рудника Ново-Голынь, камера Нтдепаи шириной до 20 м и высотой до 15 м на руднике Калуш. В результате разрушения податливых междукамерных целиков образовались пролеты шириною до 300-500 м над Северным и Хотинским сильвинитовыми полями, но без разрыва сплошности налегающих пород, хотя оседание поверхности достигло 3-5 м. Длительное время находятся в устойчивом состоянии отдельные камеры шириною до 40 м на Стебниковских калийных рудниках СтКР-1 и СтКР-2.

К слабоустойчивым относятся рассланцованные (мыдлярка) и пестроцветные глины, карналлитовая и гипсо-глинистая порода. Для охраны подготовительных выработок в таких породах возводят рамную крепь высокой плотности с полной затяжкой боков и кровли. В очистные выработки слабоустойчивые породы попадают очень редко. Выход рас-сланцованных глин под галечниковый водоносный горизонт и непосредственно на камеры является основным признаком возникновения сосредоточенных провалов земной поверхности. Поэтому в кровле камеры до рассланцованных глин необходимо оставлять защитный слой из соленосных глин или рудосодержащих пород толщиной не менее 6 м. В устойчивом состоянии длительное время находятся камеры выщелачивания (луговни) размером до 200 х 100 м, образованные безвзрывным способом на рудниках Калуш и СтКР-1 путем растворения соляных и соленосных пород. Глубина расположения этих камер до 300 м, прогиб кровли не превышает 1,5 м. Ширину пролета камер выщелачивания можно считать равной двойному вылету консоли труднообрушаемой кровли 2Ь, определяемому из эмпирической формулы [5] п

- 0,6, (2)

Ь = 0,435Н ■ (

у■ Н

+ 0,0026К )0

где, кроме известных обозначений, Яр- предел прочности пород на растяжение, МПа; К - коэффициент, зависящий от глубины разработки (К = Н -

100). В этой формуле толщина несущего слоя потолочины отождествляется с мощностью налегающих пород, что существенно ограничивает область ее применения.

Состояние выработки оценивается по величине деформации - упругой и пластической. В процессе очистной выемки возникают упругие деформации прогиба непосредственной кровли АЬ, обусловленные деформацией междукамерных целиков [б]. Упругая деформация прогиба непосредственной кровли в каждой камере согласно теории плит обуслов-

м

лена действием равномерно распределенной нагрузки от собственного веса q = уш, зависит от ширины пролета А, цилиндрической жесткости несущего слоя

D = Em3 /12( 1 - р.2 ) и определяется из формулы

г 5у А4(1 -р2)

:г =--------;—, м

2

. (3)

32Ет2

Здесь р - коэффициент Пуассона; Е- модуль упругости несущего слоя пород, МПа. Величина общей упругой деформации в камере будет равна сумме деформаций междукамерных целиков и непосредственной, кровли, т.е. Уо = А И + / .

Упругие деформации со временем переходят в пластические, которые обусловлены ползучестью соляных пород и развиваются на протяжении многих десятков и сотен лет в зависимости от величины запаса прочности несущего слоя потолочины, полученного из формулы (1).

п = 800Яи • т ■ Кс (4)

0 3А2г(1 + Кп)

Для оценки устойчивости междуэтажной потолочины, пригруженной закладкой, обрушенными породами или рудой, а также потолочного целика в переходной зоне между открытыми и подземными работами, при-груженного вскрышными породами или рудой, значение коэффициента пригрузки следует принимать равным Кп = у3 ■ И3/ у- т , где у3, Ь3- соответственно

плотность и высота пригружающего материала.

Величину относительной скорости установившейся ползучести пород несущего слоя кровли в функции запаса прочности можно определить из формулы, полученной по результатам инструментальных измерений и натурных наблюдений.

1

е =

, 1/сутки

(5)

103 + па(па -1)2 ■ 1056 Относительная критическая деформация кровли зависит от соотношения ширины пролета к толщине несущего слоя потолочины [7,8] и может быть определена из формулы

ек = 0,02 - 0,05т / А (6)

Разделив величину относительной критической деформации несущего слоя непосредственной кровли на величину относительной скорости установившейся ползучести, получаем время устойчивого существования потолочины в функции от запаса прочности го = (0,020 - 0,05т/А) [ю3 + па (по - 1)2 ■ 105 6 ^ суг. (7) Устойчивость геомеханической системы в целом обусловливается устойчивостью ее основных несущих элементов - междукамерных целиков и потолочин. В зависимости от запаса прочности время устойчивого существования междукамерных целиков определяется из формулы [9]

в

, суток

(8)

в (1 + В - п)

где в = 0,0002 и В = 1,5 - реологические параметры соляных пород; п - запас прочности междукамерных целиков.

Продолжительность процесса оседания можно определить из формулы (9)

(9)

{ = ПК,[10п+2 + (п - 0.9)2 ■ 105 ] , сут.

где П - степень подработанности налегающего массива пород; К - коэффициент извлечения полезного ископаемого по площади.

При жестких междукамерных целиках (п >2,5; ^<х) долговечность геомеханической системы обеспечивается неограниченное время: на рудниках Ново-Голынь, СтКР-1 и СтКР-2 продольные деформации междукамерных целиков не превышают 15 мк/сутки в течении 30 и более лет, солешахте Величка в Польше устойчивость междукамерных целиков сохраняется на протяжении 700 лет [11]. Однако вывалы в кровле некоторых камер свидетельствуют о том, что при жестких целиках менее устойчивая кровля теряет несущую способность раньше. Устойчивая кровля (п0>2) сохраняет несущую способность дольше, чем опорные элементы - жестко-пластичные (1,4<п<2,5) и податливые междукамерные целики. При податливых целиках (п<1,4; ^0) слабоустойчивая кровля теряет несущую способность раньше расчетного времени вследствие одновременной деформации несущих элементов.

Оценка устойчивости слоистых потолочин камер в условиях Верхнекамского калийного месторождения, где по контакту слои разделены глинистыми прослойками, производится по методике ВНИИГалургии [7] в зависимости от степени нагружения каждого слоя

^ гА ,

а всей пачки слоев в пределах свода возможного обрушения ш0 = 0,7А - по средневзвешенному значению степени нагружения, т.е. С0=(С1т1+С2ш2+... +Ош1)/(ш1+ш2+...+ш1). Расчеты по методике ВНИИ-Галугрии дают заниженный запас прочности кровли по сравнению с методикой ВНИМИ в 1,4-1,6 раза.

Заполнение выработанного пространства рудников при ликвидации насыщенными рассолами или глинисто-солевыми шламами существенно изменяет состояние геомеханической системы: за счет давления рассолов на кровлю и стенки камеры несущая способность междукамерных целиков повышается в 1,5 - 2 раза. Оценку устойчивости междукамерных целиков с учетом влияния рассолов и разгрузки барьерными рудными, комбинированными или искусственными (закладочными) целиками можно производить из формулы [12]

100Я

(а -1)

И

7РН „

-(1 + 2К0———Л) 0 100й„

(10)

Н(А + а) + /оИа -гНА(] г) -урНрА 2} Р Р

где Я - предел прочности рудосодержащих пород на одноосное сжатие, МПа; (а-1) - ширина междука-мерного целика без зоны нарушения взрывными работами, м; Ь - высота междукамерного целика, м; К0 = 0,4 - коэффициент, характеризующий уровень трещинообразования; ур - плотность рассолов или гидросмеси, т/м3; Нр - высота столба рассолов, м; Яр - предел прочности рудосодержащих пород на растяжение, МПа; Л - степень заполнения выработанного пространства; у, уо - плотность налегающих и ру-

П

100пит

п

досодержащих пород, т/м3; Н - глубина разработки, м; А - ширина камеры, м; у - количество междукамерных целиков в пределах половины выемочного участка; У - порядковый номер междукамерного целика, считая от границы выемочного участка.

Особый интерес представляет оценка устойчивости кровли камер в случае взвешивающего противодавления жидкого заполнителя при ликвидации выработанного пространства соляных рудников. Учитывая то, что за счет взвешивающего противодавления рассолов мощность несущего слоя кровли возрастает, из равенства т ■у = ур-Н определяем эквивалентную мощность

потолочины т> = у ■н /у. Подставляя ее значения в

формулу (4), получаем запас прочности несущего слоя кровли

800RuKc(m + YpH p 1 Y)

(11)

0 3А2у(1 + Кп)

Из этой формулы можно определить запас прочности несущего слоя в камерах подземного выщелачивания, или, подставляя значение допустимого запаса прочности п0 =2, можно определить предельную ширину пролета. Результат можно сравнить с расчетами по методике ЛГИ [13] из эмпирической формулы

Rp

А = 33-^K1K2 ,

Y

(12)

где Яр - предел прочности соли на разрыв, МПа; у -плотность налегающего массива пород, т/м3; К1 - коэффициент повышения устойчивости за счет давле-

Jp

Jp

ния рассолов на потолочину K1 = 1 + 4— + 80(—-)2;

Y Y

К2 - коэффициент, учитывающий мощность несуще-

го слоя соли в кровле камеры К= 1 - [1,95 /(т +1,95)] • Формула (12) не учитывает высоту столба рассолов, подпирающих кровлю камер, дает завышенные результаты.

При отработке крутопадающих залежей мощностью до 30 м системой открытых камер по простиранию (подэтажных штреков) предельную длину камер можно определить из формулы

А I ШК,,тКс (13)

I 3уооза(1 + Кп )по

После заполнения камер рассолами устойчивость кровли можно оценить из формулы (11), умножив знаменатель на сова.

По нормальной составляющей горного давления следует оценивать также устойчивость междукамерных целиков при отработке соляных залежей системой подэтажных штреков. После ликвидации выработанного пространства путем заполнения рассолами запас прочности междукамерных целиков и конечное состояние геомеханической системы можно оценить из формулы:

100R

И

(Л-И (1+2K YA Л) h 0100Rp

(14)

: Н (А + а) сов а + у оИа -у pHр А

Предложенные в работе расчетные формулы позволяют оценить устойчивость кровли очистных камер в процессе отработки месторождений, при ликвидации выработанного пространства с учетом влияния заполнителя и геомеханические последствия в случае снятия взвешивающего давления заполнителя при откачке на поверхность или переходе его в другие подземные пустоты.

------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Слесарев В.Д. Определение оптимальных размеров целиков различного назначения. - М., Углетехиз-дат, 1948.

2. Ковалев О.В. Выбор параметров штангового крепления при системах разработки с повышенной степенью извлечения. В кн. Пути снижения потерь при добыче калийных руд. Тр. ВНИИГ, - Л, 1978, с. 124-129.

3. Методические указания по определению устойчивости пород в зависимости от нарушенности на рудных месторождениях. - Л., ВНИМИ, 1974, 35с.

4. Повышение эффективности системы разработки на руднике Кар-насурт. / И.И. Бессонов, В.И. Боборыкин, А. Н. Любин и др. Горный журнал, 1990, №1, с. 19-21

5. Влох Н.П, Ушков СМ, Золотарев АМ. Применение естественного шага обрушения при разработке рудных месторождений с крепкими на-

легающими породами. Горный журнал, 1968, Ш7, с. 22-26.

6. Макаров А.Б, Слоним М.Э, Файдель Э.В. Управление сдвижением горных пород при разработке пологих залежей под охраняемыми объектами. Горный журнал, 1990, №11, с. 54-56.

7. Рекомендации по расчету устойчивых пролетов очистных выработок на калийных месторождениях. - Л.. ВНИИГ, 1982.

8. Мирошниченко В.Г. Исследование устойчивости во времени слоистых потолочин камер при разработке пластовых месторождений каменной соли (применительно к Артемов-скому месторождению). Автореферат канд. дисс. - Л., 1979.

9. Габдрахимов И.Х. Исследование длительной прочности горных пород и совершенствование параметров системы разработки в условиях Верхнекам-

ских калийных рудников. Автореферат канд. дисс. - Фрунзе, 1968.

10. Гаркушин П.К. Расчет параметров сдвижения земной поверхности при разработке калийных месторождений по камерно-столбовой системе. Горный журнал, 1995, Ш12, с. 26-28.

11. Zbicgniew Strelecki. Wybrane za-gadnienia zwiazane z zabezpieczaniem za-groznych kamor w kopaini soli Wielizka. Prace komisji gozniczo-geodezinej. GOR-NICTWO,26, 1988, с. 5-15.

12. Гаркушин П.К. Особенности восходящей отработки калийных месторождений Предкарпатья. Уголь Украины, 1998, №5, с. 13-15.

13. Романов B.C., Кошин А.Г. Оценка устойчивости камер и целиков для условий Славянского рассо-лопромысла. В кн. Разработка соляных месторождений методом выщелачивания. Тр ВНИИГ, вып. 62. - Л., 1972, с. 102-110

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Гаркушин П.К. - доктор технических наук, ЮPГTУ НПИ. Pазopенoв Ю.И. - доктор технических наук, roPFTV НПИ. Евсегнеев Є.Г. - ЮPГTУ НПИ.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания:

Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

Полное время правки: Дата печати:

При последней печати страниц: слов: знаков:

ГАРКУШ~1

G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB7_03 C:YUsersYТаняYAppDataYRoammgYMicшsoftYШаблоныYNormaLdotm УДК 622

Blagovest

15.05.2003 12:37:00 4

08.11.2008 23:05:00 Таня

9 мин.

08.11.2008 23:54:00 3

2 284 (прибл.)

13 023 (прибл.)