- •1. Классификация свойств и параметров
- •1*4. Плотность пород
- •1.9. Основные правила изучения физико-технических параметров пород
- •2. Механические свойства горных пород
- •2.5. Прочность и разрушение пород
- •если
- •2.10. Упругие колебания в массивах горных пород
- •3.1. Распространение и накопление тепла
- •3.2. Теплоемкость
- •3.4. Тепловое расширение
- •3.5. Тепловые свойства массивов
- •3.6. Тепловые свойства рыхлых пород
- •4. Электромагнитные свойства горных пород
- •4.3. Особые случаи поляризации минералов и пород
- •4.4. Электропроводность
- •4.5. Диэлектрические потери
- •4.6. Магнитные свойства
- •4.8. Естественные электрические и магнитные поля
- •4.9. Радиоактивность пород. Воздействие излучений
- •5. Взаимная связь свойств, паспортизация пород.
- •Свойства пород Луны
- •СсЧк = 900*2? «Ю-5;
- •5.5. Паспортизация горных пород по физико-техническим параметрам
- •6. Воздействие внешних физических полей на горные породы
- •6.1. Влияние влаги
- •6.3. Термические напряжения в породах
- •6.7. Воздействие электрического и магнитного полей
- •7. Горнотехнологические характеристики пород
- •7.5. Классификация горнотехнологических параметров пород
- •7.6. Твердость, вязкость, дробимость и абразивность пород
- •8.6. Комбинированные методы разрушения
- •8.9. Дробление и измельчение цолезного ископаемого после извлечения
- •9. Управление состоянием массива горных пород
- •Обогащение и геотехнология
- •9.1. Осушение массивов
- •9.2. Процессы разупрочнения
- •9.5. Устойчивость бортов карьеров и отвалов
- •9.6. Тепловой режим шахт и рудников
- •9.8. Физико-химические (геотехнологические) методы
- •10; Методы контроля состояния массива горных пород
- •10.1. Свойства пород как источники информации
- •10.2. Исследование массивов методами полевой геофизики
- •10.3. Скважинные методы исследования
- •10.6. Методы контроля за составом полезных ископаемых
- •10.8. Методы контроля за отдельными технологическими процессами
9. Управление состоянием массива горных пород
Обогащение и геотехнология
9.1. Осушение массивов
Процесс осушения сопутствует практически всем горным работам, так как обводненность массивов горных пород вызы вает снижение их несущей способности, оползанию бортов карье ров и отвалов, прилипание и примерзание породы к механизмам, пучение и другие отрицательные явления. Осушением массивов пород достигается первоначальное упрочнение горных пород, повышение их устойчивости и т. д.
Так как процесс осушения связан с распространением воды в породах, ее накоплением и удалением из пород, в расчетах
систем |
осушения непосредственно |
используются г и д р а в л и - |
ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и |
пород — коэффициенты филь |
|
трации |
и водопроницаемости, а также естественная влажность |
и водоотдача горных пород.
Предполагаемый водоприток Q в вертикальную горную выра ботку (в м3/ч) рассчитывают, используя заранее определенный
коэффициент фильтрации |
кф горных пород |
данного |
месторожде |
|||||||||
ния |
(рис. 9.1): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(9.1) |
где Н — напор подземных |
вод; R и г — радиусы соответственно |
|||||||||||
депрессионной |
воронки |
и |
ствола; |
т — мощность |
напорного |
|||||||
водоносного пласта. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Водоприток |
в |
г о р и з о н т а л ь н у ю |
горную |
выработку, |
||||||||
пройденную в пласте большой мощности, приближенно |
опреде |
|||||||||||
ляют |
|
с учетом |
коэффициента водоотдачи g по формуле |
|
||||||||
<? = |
|
|
2пкфт1Ьу |
|
|
|
|
(9.2) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
где |
I |
— половина |
длины |
выработки; |
/гу — понижение |
уровня |
||||||
воды; |
о — отношение коэффициента |
фильтрации к |
водоотдаче; |
|||||||||
t — время |
откачки; h — глубина заложения |
выработки |
от ста |
|||||||||
тического |
уровня |
воды. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Водоприток |
в |
к а р ь е р |
приближенно |
(в |
случае безнапор |
|||||||
ных |
вод) |
рассчитывается |
по |
формуле |
|
|
|
|
(9.3)
где |
т _ мощность |
водоносного горизонта; Н 0 — давление воды |
на |
бортах карьера; |
гк — приведенный радиус карьера. |
|
В основу всех этих расчетов положены уравнения, вытека |
ющие из формулировки коэффициента фильтрации (см. раздел 1.6).
Фильтрационные |
характеристики |
пород |
применяются |
также |
|||||||||
для |
расчета |
площади |
осушения |
пород. |
Так, |
у с т а н о в и в - |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
Рис. |
0.1. |
Схема |
притока |
|||
|
|
|
|
|
|
|
воды в вертикальную выра |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
ботку, |
пересекающую |
на - |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
порный горизонт: |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
R |
— радиус |
влияния; Я — |
||||
|
|
|
|
|
|
|
напор |
подземных |
вод; г — |
||||
|
|
|
|
|
|
|
радиус |
выработки; |
т — |
||||
|
|
|
|
|
|
|
мощность |
водоносного |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пласта |
|
|
|
|
ш и й с я р а д и у с |
депрессионной |
воронки R |
вокруг |
колодца |
|||||||||
может быть |
рассчитан |
по эмпирической |
формуле |
|
|
|
|||||||
R = 2hy ]/ ткф, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(9.4) |
||
Н е у с т а н о в и в ш и й с я |
р а д и у с ' д е п р е с с и о н |
||||||||||||
н о й в о р о н к и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
R = rn+ i , 5 Vat, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(9.5) |
||
где гд — приведенный радиус |
реального |
контура дренажа; |
а = |
||||||||||
= ^4^£Е — коэффициент |
уровнепроводности; |
hcp — средняя |
глу |
||||||||||
бина |
потока |
воды при |
осушении; |
t — время осушения. |
|
|
|||||||
Использование фильтрационных характеристик пород в рас |
|||||||||||||
четах |
водоосушения — это |
только |
часть |
задачи |
осушения |
||||||||
массива. В ряде случаев |
необходимо |
целенаправленное |
и з м е |
||||||||||
н е н и е |
ф и л ь т р а ц и о н н ы х |
|
х а р а к т е р и с т и к |
||||||||||
массивов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Так, в процессе фильтрации может произойти постепенное заиливание водоподводящих трещин и каналов к скважине и умень шение водопритоков в осушающую скважину.
Для восстановления водопритока применяют методы, увели чивающие проницаемость массива пород, — торпедирование, простреливапие, гидравлический разрыв пласта, соляно-кислотную обработку скважин и т. д. Торпедирование заключается во взры вании специальных зарядов взрывчатых веществ (торпед), в ре зультате чего вокруг скважины образуется зона с повышенным коэффициентом фильтрации.
С о л я и о - к и с л о т н а я о б р а б о т к а скважин про изводится в карбонатных породах. Кислота, залитая в сква жину, вступает в реакцию с породами, что способствует разглинизации стенок, расширению водонодводящих трещин, образо
ванию каналов выщелачивания. Для обеспечения более глубокого проникновения кислоты в пласт добавляют вещества, заме дляющие реакцию нейтрализации (уксусную кислоту, нитро бензол). Действие соляно-кислотной обработки распространяется на глубину 3—4 м и повышает дебит скважины в некоторых случаях до 20—30 раз.
Г и д р а в л и ч е с к и й р а з р ы в пласта осуществляют закачиванием в скважину вязкой жидкости (водного раствора сульфита спиртовой барды, соляной кислоты и др.), содержащей значительное количество крупнозернистого песка. При достиже нии определенного давления в забое скважины жидкость раз рывает пласт и происходит увеличение его водопроницаемости. Зерна песка препятствуют смыканию трещин после прекращения нагнетания жидкости в пласт. Необходимый объем закачиваемой жидкости определяют с учетом коэффициента проницаемости пород.
Достичь увеличения водопритока в породах, обладающих слабой водоотдачей, только путем разрыхления массива невоз можно. В этом случае следует использовать физические методы воздействия с целью интенсификации притока воды без изменения
коэффициента |
фильтрации пород. К таким методам относится |
использование |
явления э л е к т р о о с м о с а , заключающегося |
в перемещении |
воды под действием электрического поля. |
Вэлектрическом поле на поверхности раздела частиц породы
иводы возникает разность потенциалов (электрокинетический
потенциал). При |
этом |
вода приобретает положительный заряд, |
|
а порода — отрицательный. Поэтому под воздействием |
внешнего |
||
электрического |
поля |
частицы воды перемещаются в |
сторону |
катода (электроосмос), |
а свободные частицы породы — в сторону |
анода (электрофорез).
Электроосмос целесообразно использовать в глинистых, или стых породах и плывунах, так как они обладают очень малой
водоотдачей |
и фильтрацией |
(кф <0,1м /сут). Например, |
в |
Под |
||
московном |
бассейне использование |
электроосмоса в |
сочетании |
|||
с иглофильтрами привело |
к росту |
дебита последних |
в |
4 |
раза. |
9.2. Процессы разупрочнения
Разупрочнение (ослабление) пород — технологический про цесс, применяемый либо с целью исключения буровзрывных работ, либо с целью повышения эффективности их. Ослаблению чаще всего подвергают мерзлые горные породы. Как известно, из-за смерзаемости рыхлых и связных пород на вскрышных работах при добыче мягких и влажных руд, глин, песка, гравия
взимнее время возникают существенные затруднения. Многочерпаковые и роторные экскаваторы, а также бульдо
зеры и скреперы вообще не способны разрабатывать мерзлую горную породу^ без предварительной ее подготовки к выемке.
|
Г л у б и н а |
п р о м е р з а н и я |
ft пород определяется эмпи |
рически |
|
|
|
|
h 2Х У Тп, |
|
(9-6) |
где |
X — коэффицйент теплопроводности породы; Т — минималь- |
||
нал |
температура |
воздуха; п — число |
дней с отрицательной тем |
пературой.
При температуре воздуха минус 25° С примерно через месяц грунт промерзает до глубины 1,5 AF- В то же время механические лопаты с ковшом емкостью 0,5—1 м3 могут разрабатывать без предварительного рыхления лишь слой мерзлого грунта мощ
ностью |
не |
более |
0,15—0,25 м, |
а |
емкостью 3—4 м3 — мощ |
ностью |
до |
0,5—0,6 м. |
|
|
|
Подготовка горных пород к выемке в зимний период вклю |
|||||
чает три |
группы |
мероприятий: |
1) |
предотвращение смерзания |
пород; 2) оттаивание пород; 3) рыхление смерзшихся пород. Применение того или иного мероприятия зависит от свойств
пород, производительности карьера и применяемых механиз мов, характера добываемого полезного ископаемого и климати
ческих условий. |
|
м е р з л ы х |
п о р о д |
осуществляют ме |
||
О с л а б л е н и е |
||||||
ханическими |
и |
немеханическими |
методами.' |
|
|
|
Наиболее часто механическое рыхление осуществляют буро |
||||||
взрывными |
работами, |
рыхлителями, дизель-молотами и |
т. д. |
|||
При этом |
в |
расчетах производительности |
и параметров |
рых |
ления используют соответствующие гориотехнологические пара метры пород. Так, глубину рыхления определяют с учетом удель ного сопротивления к породы рыхлению {к = 2- 104-f-4-10* Н/м2).
При ослаблении мерзлых пород н е м е х а н и ч е с к и м и методами используют явления поглощения электрической энер гии породой, электропроводности влажной породы, теплопередачи и соответствующие тепловые и электрические свойства пород.
В случае п о в е р х н о с т н о г о ] н а г р е в а применимы закономерности распространения тепла в полубесконечном твер дом теле (см. раздел 8).
Разогрев пород с поверхности при большой глубине нагрева длителен, мало производителен и дорог.
Так, для оттаивания почвы до глубины 45 см требуется не прерывно поддерживать температуру 800° С на поверхности по
роды в течение |
примерно 10 ч. |
|
|
||
Оттаивание |
пород |
осуществляют также |
непосредственным |
||
п р о п у с к а н и е м |
э л е к т р и ч е с к о г о |
т о к а по |
разо |
||
греваемому участку. |
На |
площади карьера, подлежащей |
оттаи- |
||
_ваншо, бурят шпуры, |
в |
которые помещают электроды так, чтобы |
их концы находились в талой породе. При подключении напряже ния образуется замкнутая электрическая цепь в талой породе, так как электропроводность талой породы во много раз выше, чем мерзлой (рис. 9.2).
Слой, по которому протекает ток, нагревается и передает тепло вышележащему слою, который после оттаивания сам на чинает проводить ток. Постепенно процесс оттаивания достигает
поверхности. |
перспективны |
методы оттаивания |
т о к о м_ в ы |
|
Наиболее |
||||
с о к о й ч а с т о т ы , |
не требующие бурения шпуров и большого |
|||
числа электродов (см. |
рис. |
9.2). При этом ток |
высокой частоты |
_ |
Рис. 9.2. Электрический способ оттаивания грунта: |
а — токами низкой частоты; б — токами высокой частоты: 1— электроды; 2 — генератор тока; з — оттаиваемый слой; 4 — талая порода
восновном поглощается льдом. Действительно, при температуре
То = —15° С фактор потерь ел tg 6Л льда составляет 2,4, а е tg б кварцевого песка около 0,05.
Общее количество тепла QXl необходимое для таяния льда, объем которого в породе Ул, составляет
Ql '"=[(^пл — Т0) СУЛ+ 9пл] Кп» |
|
|
(9-7) |
|||||
где Т пл — температура |
плавлений |
льда, |
К; |
cVji — объемная |
||||
теплоемкость |
льда, |
|
Дж/(м3-К); дпл = 3,3• 108 Дж/м3 — теплота |
|||||
плавления |
льда. |
|
|
|
|
|
|
|
Приравняв |
Qx = Q2I |
где (?2 — количество |
тепла, выделив |
|||||
шееся в породе за |
счет |
поглощения |
тока |
высокой частоты [см. |
||||
уравнение |
(6.33)], |
можно рассчитать время плавления льда |
||||||
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
„■ |
У . |
|
• |
|
|
|
М |
|
55.5ел tg бл/£; |
|
|
|
|
|
Поскольку тепло выделяется непосредственно в плавящемся объеме вещества, то теплопроводность играет только отрицатель ную роль, из-тза теплоцроводности происходит отвод тепла от пла вящегося объема и непроизводительный нагрев остальной части породы.
Так как нагрев породы происходит от исходной температуры Т0 до температуры плавления льда Тпл, можно записать с поправкой
на нагреваемый дополнительный объем (в случае отсутствия выделения в нем тепла)
( Т пл — Т о) Су^ + |
ЯпяУ'л |
|
|
55,5ел tg 6л/ £ |
э2У л |
’ |
^ |
где cVn — объемная теплоемкость мерзлой породы; Ул — отно сительный объем льда.
В-10 .Дж/см3
Рис. 0.3. Зависимость критерия в (эффективности плавления компо ненты породы) от относительного объемного содержания компоненты V при электрических параметрах плавящегося (пл) и неплавяще-
гося (н) компонент:
1 |
“ |
е п л |
^ б п |
л |
» |
е „ |
t e |
V |
2 — е п л |
* * в п |
л |
« |
е „ |
t f f |
о „ ; |
3 ~ вп л ^ 6 пл = t ui g 6 u
Фактор В (критерий эффективности нагрева) в случаях, по добных описанному, может быть представлен следующим обра зом:
( Т п л —Т о ) С у ^ -f-q п л У 'л |
(9.10) |
||
В —55,5£ntnZ?3 — |
ел tg 6лFл |
||
|
|
||
Если же грунт сложен из минералов, при которых происходит |
|||
высокочастотный нагрев |
как льда, так и вмещающей породы |
||
(ei tg 6 x = е2 tg 6 2), то |
после расчетов и преобразований |
полу |
|
чаем: |
|
|
|
( Т Пл — Т о) су п + дплРЛ |
(9.11) |
||
55.5е t g 6\Е \ |
’ |
||
|
|||
(Гпл -Го) [>уп (1 |
\ - У л ) + С у У л \ + д п л У ' л |
(9.12) |
|
Etgd |
Зависимость параметра В от объемного содержания плавя щегося компонента при различном соотношении свойств компо нент представлена па рис. 9.3.
Один из способов т е р м и ч е с к о г о о с л а б л е н и я мерзлых грунтов заключается в разбуривании мерзлого слоя пород термобуром. При этом создается определенная сетка шпу ров, которые значительно ослабляют мерзлую корку и позволяют осуществить ее окончательное разрушение непосредственно экска ваторами.
Ослаблению подвергают не только мерзлые грунты, но и скаль ные и иолускальные горные породы. При этом используют увлаж нение пород и другие физические воздействия.
Как известно (см. раздел 6.1), влажные породы обладают меньшей прочностью. На этом свойстве основаны методы ослабле ния угля н а г н е т а н и е м в п л а с т в о д ы под давлением через шпуры или скважины. Вода, распространяясь по плоско стям напластования и трещинам, раздвигает их, создает допол нительную трещиноватость и снижает прочность угля на 30— 40%. Это, в свою очередь, позволяет увеличить производитель ность очистных комбайнов, выход крупных фракций угля и на 60—85% снизить запыленность рудничной атмосферы.
Влияние воды увеличивается при растворении в ней адсор бирующихся поверхностно-активных веществ (понизителей твер дости), увеличивающих подвижность воды. Этот метод, основан на распространении флюидов в породах, и поэтому расчет его производят с учетом коэффициента фильтрации и влажности горных пород.
Скальные породы можно предварительно ослаблять воздей ствием высокочастотного электрического поля, инфракрасными излучателями и т. д. (см. разделы 8.4—8.9).
Ослабления массива можно достичь также пропусканием через породу постоянного электрического тока; явление электро лиза приводит к росту дефектов в породе, увеличению ее пори стости и снижению прочности. Эффективность ослабления пород этими методами существенно зависит от состояния массива горных пород, крупности породообразующих минералов (чем меньше зерна минералов, тем большая требуется скорость нагрева) и ком плекса электрических, тепловых, упругих и прочностных свойств пород.
9.3. Упрочнение пород
Борьбу с проявлениями горного давления ведут не только путем крепления горных выработок, но' и непосредственно упроч нением пород, окружающих выработки. При этом используют физические явления уплотнения пород в результате тампонажа, искусственного замораживания, химического и электрохимиче ского закрепления, электроплавления, а также воздействия энергией взрыва. Тампонаж пород состоит в нагнетании через скважины в закрепляемый массив под давлением тампонажного раствора, способного вытеснить из трещин и пустот воду, запол нить их и затвердеть; по типу .используемых растворов тампо
наж подразделяют на цементацию, глинизацию и битуминиза цию.
В расчетах • т а м п о н а ж а используют плотностные |
свой |
ства пород и характеристики проницаемости массива. Так, давле |
|
ние нагнетаемого раствора зависит от глубины Н залегания |
там |
понируемого пласта; оно должно быть |
выше горного давления |
уН на данной глубине и выше давления |
пластовых вод. |
Рис. 9.4. Схема упрочнения пород замораживанием:
1 — замораживающие сква жины; 2 — лсдопородньтй цилиндр; 3 — ствол шахты
И с к у с с т в е н н о е з а м о р а ж и в а н и е широко используется при проходке шахтных стволов и подземных выработок в обвод ненных и рыхлых породах. Его осуществляют через специальные замораживающие колонки и скважины, пробуренные по кон туру замораживаемой выработки (рис. 9.4).
По колонкам циркулирует хладагент (аммиак, углекислота,
фреоны), при этом вокруг |
них происходит замерзание породы. |
Когда замерзание распрострапяется по всему контуру выра |
|
ботки, образуется ледопородный цилиндр, упрочняющий породу |
|
и изолирующий внутренние |
участки от окружающих водообиль |
ных слоев. |
|
Размеры ледопородного цилиндра (ограждения) |
обусловлены |
||||||
требуемой прочностью. |
(бесконечной) высоты его внешний |
||||||
Для ограждения |
большой |
||||||
Ъ и |
внутренний а радиусы |
оценивают |
по формуле |
|
|||
-/и |
1 + |
р -1 |
■a l^ 1 |
|
(9.13) |
||
2 К сц V |
Р °РА |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
где |
(3 = tg2 ^45° + |
орд — внешнее |
радиальное |
равномерно |
распределенное горное давление (см. раздел 9.4); К сц и ф — сце пление и угол внутреннего трения замороженной породы.
Для ограждения конечной высоты соответственно
СТРД
0 Д Л
где h — высота ограждения; одл — длительный предел прочности замороженной породы при одноосном сжатии за расчетный пе риод.
Учет времени в расчетах на прочность мерзлых пород осо бенно важен, так как они обладают ярко выраженными реоло гическими свойствами. Так, при температуре —20° С предел проч
ности глины при |
сжатии в первые |
10 мин |
составляет 7-10б Па, |
|||
а после |
действия |
нагрузки в течение 24 ч — 4,5-106 Па, предел |
||||
прочности мерзлого |
песка — соответственно |
1,3• 107 и |
7*10° Па. |
|||
Для |
получения |
ледопородпой |
стенки |
требуемой |
толщины |
необходимо рассчитать время циркуляции хладагента, которое
зависит |
от |
тепловых |
свойств |
пород —- коэффициента |
теплопро |
|||
водности |
и |
удельной |
теплоемкости. |
в о з д е й с т в и е м |
||||
Закрепление |
пород |
х и м и ч е с к и м |
||||||
(силикатизация) |
заключается |
в |
том, что |
в породу |
нагнетают |
|||
два химических |
раствора (коллоидный раствор силиката нат |
|||||||
рия — жидкое стекло и раствор |
хлористого |
кальция). |
Растворы |
вступают в реакцию между собой, в результате которой выде ляется гидрогель кремневой кислоты и происходит закрепление породы. Получившаяся прочная масса не растворяется в воде.
Силикатизация успешно применяется в среднезернистых |
плот |
|||
ных породах |
при кф = 5 -f- 80 м/сут. |
Силикатизации не |
под |
|
даются глины, |
плывуны и илы с кф = |
10"2 |
10"3 м/сут. В лёс |
совые породы достаточно нагнетать только жидкое стекло, так как лёсс содержит сернокислые соли, которые заменяют раствор хлористого кальция.
Для химического закрепления применяют также другие рас творы (карбамидную смолу, менозоль и др.).
Э л е к т р о х и м и ч е с к о е з а к р е п л е н и е осущест вляют путем пропускания постоянного электрического тока через влажные породы. В результате реакции калий и натрий замеща ются водородом, алюминием или железом, и в породе образуются гидраты окиси металлов (например, боксит).
При |
электрохимическом закреплении глина теряет |
30—40% |
||||||||
влаги, |
существенно |
возрастает ее |
предел прочности |
при сжа |
||||||
тии. Грунт приобретает |
способность не размокать в воде и не те |
|||||||||
ряет |
прочности |
после[^нрекращения |
электрозакрепления. |
нагре |
||||||
При |
э л е к т р о п л а в л е н и и |
водоносные |
пески |
|||||||
вают пропусканием |
электрического тока до температуры |
1700— |
||||||||
1800° С, |
в результате |
чего |
песок |
расплавляется. |
Остывшая |
|||||
масса |
образует |
стекловидное |
вещество высокой прочности, водо |
|||||||
непроницаемое |
и |
не |
разрушаемое |
агрессивными |
растворами. |
При использовании электроплавления плывунов в Подмосковном угольном бассейне была получена толщина сплавленной корки 60—70 см. Расход электроэнергии составил 8600 кВт-ч на 1 м3
расплава. |
пород в з р ы в о м применяют |
для созда |
У п л о т н е н и е |
||
ния и одновременно |
укрепления различных полостей |
в массивах |
связных пород — лёссах, глинах и суглинках. Специальные заряды ВВ располагают в скважине на всю ее длину. Взрыв происходит без выброса породы. При взрыве образуется выемка, диаметр которой в 20 раз больше диаметра скважины. Стенки выемки уплотняются настолько, что она может оставаться без крепления длительное время.
9.4. Поддержание подземных выработок
Как известно, горное давление (см', раздел 6.2) в массивах горных пород обусловлено в первую очередь собственным весом пород (гравитационными силами) и тектоническими напряже ниями.
Вертикальные напряжения сг2, вызванные действием г р а
в и т а ц и о н н ы х с и л на глубине Н, могут быть |
рассчитаны |
по известному объемному весу пород у: |
|
ог = уН. |
(9.15) |
Горизонтальные напряжения ох и оу, вызванные горизонталь ными составляющими гравитационного поля, рассчитывают, ис пользуя уравнения теории упругости:
ox = Oy= -j^ УН. |
(9.16) |
Величину v /l—v называют коэффициентом бокового |
распора |
кб. Он находится в пределах 0,2—0,9. Так, для глин Подмосков ного бассейна кб составляет 0,7—0,98, для глинистых сланцев
Донбасса — 0,72—0,92, для глинистых песчаников |
КМА"— 0,45. |
||||||||
Наряду с напряжениями, вызванными действием |
гравита |
||||||||
ционных |
сил, |
в массивах |
пород существует |
поле |
т е к т о н и |
||||
ч е с к и х н а п р я ж е н и й , |
возникающих |
вследствие |
танген |
||||||
циального |
сжатия |
земной |
коры. Тектонические |
напряжения |
|||||
в первом приближении можно |
принять горизонтальными. |
Часто |
|||||||
тектонические |
напряжения |
превосходят гравитационные |
в де |
||||||
сятки раз. Поэтому далеко |
не всегда можно принимать |
давление, |
|||||||
возникшее в массивах пород, как гидростатическое. |
|
|
|||||||
При проведении |
горных выработок нарушается |
равновесное |
состояние пород, образуется новое поле напряжений, характер которого зависит от глубины заложения выработки, ее формы и размеров, состояния и свойств массива пород. Для расчета нового поля напряжений используют различные гипотезы гор ного давления, основанные на разных предпосылках о состоянии массива пород. В одних гипотезах считают, что массив пород представляет собой дезинтегрированную среду или только с тре нием между частями породы, или с трением и сцеплением, под чиняющуюся законам сыпучих тел, в других — сплошную одно родную среду, подчиняющуюся законам теории упругости; в тре
тьих — сложную среду, состоящую из шшт (балок) различной толщины и прочности.
Для случая с п л о ш н о й - ' О д н о р о д н о й с р е д ы , под чиняющейся законам теории упругости, новое напряженное состоя ние определяется по напряжениям, имеющим место в ненарушен ном массиве.
Рис. 9.5. Элементы свода давле ния (обрушения):
2 а —' ширина выработки; 2 a t |
— |
ширина свода обрушения; et |
— |
высота свода обрушения |
|
Рис. 9.6. Эпюры радиальных орд и тангенциальных (окружных) отг
напряжений вокруг горизонтальной выработки круглой формы
Так, для выработки круглого сечения распределение радиаль ных (ГрДи тангенциальных сгтг напряжений может быть вычислено по формулам:
ард ““ |
|
°Т |
СТз- |
1 - 3 |
cos 20 |
(9.17) |
|
2 |
|
||||
0Хг |
O3+ O1 |
J |
О3—CTi |
1 + 3 -Д- ] cos 20; |
(9.18) |
|
|
+ |
|||||
где г0 — радиус |
сечения выработки; |
г и 0 — текущие |
полярные |
координаты; о3 и а г — компоненты тензора напряжений в нетро нутом массиве.
Из формул (9.17) и (9.18) видно, что если о3 = ох, то все напряжения являются сжимающими; если ох > о3, то в кровле возникают растягивающие напряжения, а в боках выработки — сжимающие.
Гипотеза с в о д а д а в л е н и я предполагает с ы п у ч у ю с р е д у, в которой проводится выработка. В этом случае на кров лю выработки давит лишь часть породы, оконтуренная так назы ваемым сводом давления (рис. 9.5), в объеме которого порода отделяется от всего массива и при отсутствии крепи обрушается.
Очевидно, что для расчетов горного давления и параметров крепи необходимо выбрать гипотезу, которая бы наиболее близко описывала конкретный массив пород.
Так, в скальных породах согласно формулам (9.17) и (9.18) напряжения вокруг горизонтальной выработки круглой формы (при условии, что первоначальное напряженное состояние нетро нутого массива было гидростатическим) (рис. 9.6) будут следу ющими:
радиальные
(9.19)
тангенциальные (окружные)
(9.20) где го — радиус выработки; г — расстояние от центра выработки
до данной точки в массиве. |
|
массиве вокруг |
в е р т и |
|
В прочном, упругом и изотропном |
||||
к а л ь н о г о |
ш а х т н о г о |
с т в о л а круглой |
формы воз |
|
никают [см. |
формулы (9.17) и |
(9.18)] |
радиальные ард и танген |
циальные атг, напряжения, рассчитываемые по уравнениям, подобным (9.19) и (9.20):
|
|
|
|
(9.21) |
|
|
|
|
(9.22) |
Стенки ствола |
будут устойчивы, если |
|
||
|
|
|
|
(9.23) |
где Осж — предел |
прочности |
породы |
при двухосном |
сжатии. |
Если выработки пройдены в рыхлых породах, то расчеты на |
||||
грузки на крепь |
производят |
исходя |
из теории свода |
давления |
ипри этом получают иные величины горного давления. Согласно этой теории давление на кровлю г о р и з о н т а л ь
но й выработки равно
o = 2aby, |
(9.24) |
где 2 а — ширина выработки; Ъ — полная высота |
свода обруше |
ния (давления): |
|
Ъ — — £а-(- h ctg ^45° -f- “I") J » |
(9.25) |
где |
/ — коэффициент крепости |
пород; h — высота выработки; |
|
Р = |
arctg / — угол |
внутреннего |
сопротивления пород кровли. |
При высоких значениях суммарных напряжений, действу |
|||
ющих на выработку, |
происходят |
различные нарушения — сдви |
жение горных пород, разрушение кровли, стенок выработки и це ликов, горные удары и внезапные выбросы угля, породы и газов.
Выработки, пройденные в слабых породах, крепят различной крепью (деревянной, металлической, бетоном). В устойчивых скальных породах выработки оставляют без крепления. Очистное пространство на время разработки данного участка поддерживают от обрушения либо крепью, либо оставлением целиков определен ной формы и размеров (ленточных — при длине целика Z, значи тельно большей ширины Ь, и столбовых — при I ^ Ь).
При п р о е к т и р о в а н и и схем поддержания горных выработок и управления горным давлением вычисляют:
1)максимальные размеры возможного незакрепленного про странства выработок;
2)характер возможного распределения напряжений с целью учета наиболее опасных зон их концентрации;
3)конструктивные параметры крепи;
4)размеры целиков.
Так, участок |
ш а х т н о г о |
с т в о л а |
Н 0, пройденного |
|||
в с к а л ь н ы х |
п о р о д а х , |
который можно |
оставить неза |
|||
крепленным, приближенно рассчитывают по формуле |
||||||
Ксц COS Р |
) |
|
|
|
|
|
sin2 (-4 |
2Н, |
|
|
(9.26) |
||
где Р — угол внутреннего |
сопротивления пород; |
у — объемный |
||||
вес пород вокруг незакрепленной части ствола; |
К сц — сцепление |
|||||
пород; Н — высота толщи пород, |
соответствующей |
закрепленной |
части |
ствола. |
В расчете величины K CVk и р берут с учетом необходимого за |
|
паса |
устойчивости обнажения, равного 2—3. |
Предельная длина устойчивой в незакрепленном состоянии горизонталь ной выработки вычисляется по формуле
Гипотеза балок дает иное выражение для расчета предельного пролета такой же выработки:
Iпр — |
4орh |
(9.28) |
где п = 1}3 -г. 7,2 — коэффициент, зависящий от состояния массива и сте пени закрепления, слоев кровли; h — мощность слоев кровли.
Р а с ч е т |
ц е л и к о в |
также производят с использованием |
прочностных |
и плотностных |
параметров горных пород. |
Так, согласно методу акад. Л. Д. Шевякова, несущая способ ность с т о л б о в ы х целиков F при камерно-столбовой системе разработки вычисляется по формуле
1' |
ас> А ^ ] / ^ > |
|
|
|
|
|
|
|
|
(9-29). |
||||
где А„ = |
/сТр ^1 — 3 |
—■коэффициент |
однородности |
рудного |
||||||||||
массива, |
S n — среднеквадратичное |
отклонение |
предела |
проч |
||||||||||
ности пород при сжатии; S ц — площадь целика; |
ац — наименьшая |
|||||||||||||
ширина |
|
целика; |
йц — высота |
целика; |
/стр < |
1 — коэффициент |
||||||||
трещиноватости |
рудного |
массива. |
|
F x равна |
|
|
|
|
||||||
Вертикальная |
нагрузка на |
целик |
|
|
|
|
||||||||
Fx = |
yHSKcos а, |
|
|
|
|
|
|
|
|
(9.30) |
||||
где Н — высота свода давления; S K— площадь |
кровли, приходя |
|||||||||||||
щейся на |
один |
целик; а — угол |
падения залежи. |
|
запаса |
|||||||||
Приравняв |
F = F хп |
(где |
п = 2 -f- 3 — коэффициент |
|||||||||||
прочности), |
вычисляют |
параметры целика. |
|
|
|
|
||||||||
Ширина |
л е н т о ч н о г о |
целика а при горизонтальном за |
||||||||||||
легании |
|
месторождения |
может |
быть подсчитана |
по |
формуле |
||||||||
а = |
|
|
Л у Н п |
|
|
|
|
|
|
|
|
(9.31) |
||
|
|
——------------, |
|
|
|
|
|
|
|
|
-у//»—AuYi
где А — ширина камеры; у — средний объемный вес налегающих пород; Нп — мощность налегающих пород; у х — объемный вес пород в целике.
Расчет давления на призабойную крепь при разработке уголь ных месторождений в случае относительно слабых пород кровли производится на основе теории свода обрушения.
Передняя часть свода располагается впереди лавы на расстоя нии 5, задняя часть находится па границе пород, которые претер
певают уплотнение. Установлено, что длина средней части |
2а ^ |
||
& 75 |
м. |
|
|
Над рядом крепи, находящимся на расстоянии Ъ от забоя, |
|||
высота свода может быть подсчитана по формуле (рис. 9.7) |
|
||
^х |
fynax Ух |
2a (b + s) + (s2 - b * ) |
(9.32) |
( a + s ) f |
где femax — максимальная высота свода давления; а + s — полупролет свода; ух — координата точки свода.
Эмпирически установлено, что s ~ '[/'yH/f.
Напряжения озаб, возникающие в призабойпом пространстве, равны
Если в кровле залегают рыхлые малосвязпые породы, расчет изменяется. В этом случае давление на крепь вызывается весом пород в призме, отры вающейся от массива и поворачивающейся в сторону выработанного про странства.
Поэтому
|
#заб — yhnp, |
|
(9.34) |
|
где |
h пр- |
S |
— высота призмы отрыва; |
S — площадь очистного забоя; |
-1 |
к р — коэффициент разрыхления пород.
Рис. 9.7. Схема к расчету горного давления на приза - бойную крепь при разра
ботке угольных месторожде ний
Если в кровле или почве выработки залегают слабые неустойчивые породы, при разработке в соответствующих местах оставляют часть залежи полезного ископаемого для предупреждения обрушения выработок. Эта часть залежи называется предохранительной толщей.
Если над угольным пластом залегает плывун, то приблизительная мощ ность предохранительной толщи h T будет примерно равна:
Зу/2
кт |
4сгр |
1 |
(9.35) |
|
|
||
где I — пролет |
выработки. |
|
В результате разработки месторождения происходит обруше ние или оседание пород над выработанным пространством, кото рое может достигнуть поверхности Земли (сдвижение пород). Площадь поверхности, захватываемая сдвижением, зависит от величины углов сдвижения б.
Процесс сдвижения обусловлен геологическими факторами и геометрическими размерами рудных тел, тектоническими н гид рогеологическими явлениями, системой разработки, прочност ными свойствами массивов и их трещиноватостью.
Аналитический учет всех указанных факторов практически невозможен. Установлены лишь отдельные эмпирические взаимо
зависимости. Так, |
обнаружено, что угол сдвижения б |
зависит |
|||
от коэффициента крепости горных пород. |
|
||||
Для месторождений, сложенных слоистыми породами, |
|
||||
б - 5 |
5 + 1 ,5 / -0 ,4 5 а . |
(0.36) |
|||
Для |
массивных |
пород |
|
||
б —55 - |
10/ |
-0,45а, |
(9.37) |
||
In Jf_ |
|||||
|
|
|
|
d