РАСЧЕТ ЦЕЛИКОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПОЛОГОПАДАЮЩИХ ЗАЛЕЖЕЙ

Для поддержания налегающей толщи пород при камерно-столбовой системе разработки оформляются панельные, обеспечивающие управление состояни­ем массива, и опорные, поддерживающие кровлю очистного пространст­ва, целики. Опорные целики бывают столбчатые и ленточные. Они должны сохранять устойчивое состояние прилегающих камер на период ведения работ в выемочной единице (панельные же должны со­хранять статическое равновесие массива и после отработки панели, при­чем даже в случае полного разрушения опорных целиков).

 

РАСЧЕТ ЦЕЛИКОВ ПО МЕТОДУ ТУРНЕРА – ШЕВЯКОВА

Согласно теории Турнера (1884 г.) каждый целик воспринимает давления от полного веса налегающих пород (рис. 4.1)

P = γHS,

где γ – удельный вес пород; Н – глубина разработки; S – площадь пород, приходящихся на целик.

Предельное равновесие пород находится из выражения

σсжSц = γHS,

где σсж   - предел прочности на сжатие материала целика; Sц – площадь целика.

Устойчивое равновесие пород сохраняется при условии

Sц /S > γH/σсж .

В дальнейшем в 1906 г. К. Кегель предложил учитывать влияние угла падения залежи α и был введен коэффициент запаса прочности kз

Sц /S = kз γH cosα/σсж .

 

В 1941 г. академик Л.Д. Шевяков уточняет данную методику расчетов введением коэффициента формы kф

Sц /S = kз γH cosα/(kф σсж) .


 


Рис. 4.1. Расчетная схема к определению давления на целики по методу Турнера - Шевякова

 

 

Используя соотношение Sц /S для целиков различной формы определяется ширина целика.

Достоинства метода: простота и доступность.

Основные недостатки:

- в расчетах предполагается равномерное распределение напряжений по всей площади сечения целика;

- не учитывается отношение пролета подработки и глубины разработки.

Данный метод расчета целиков рекомендуется применять при отношении пролета подработки пород к глубине работ не менее 0,7 – 0,8.

 

РАСЧЕТ ЦЕЛИКОВ НА ОСНОВАНИИ ГИПОТЕЗЫ 

СВОДА ДАВЛЕНИЯ

Возможность использования гипотезы свода давления для расчета целиков подтверждается работами М.М. Протодьяконова, П.И. Городецкого, С.В. Ветрова и др.

По данной гипотезе предполагается, что над выработанным пространством формируется свод давления. Нагрузка на каждый отдельный целик определяется весом пород, расположенным над ним в пределах свода давления. Вес пород выше свода давления передается в виде опорного давления на прилегающие краевые зоны рудного массива.

Гипотезу свода давления для расчета целиков рекомендуется применять при отношении пролета подработки пород к глубине не более 0,7 – 0,8.

Расчет целиков производится для центральной части подрабатываемой толщи пород, где на них приходятся максимальные напряжения.

Условие предельного равновесия целиков записывается в виде

Sц kф σсж = S kз γп hсв cosα,

где hсв – высота свода давления в средней части пролета.

Отсюда

Sц /S = kз γ hсв cosα/(kф σсж) .

Используя соотношение Sц /S для целиков различной формы определяется ширина целика.

Давление на панельный целик определяется полным весом столба до поверхности за исключением веса пород в пределах свода давления. Нагрузка на 1 м панельного целика шириной В (по С.П. Ветрову) составляет

Рп = [(2l +В)Н – 2/3(2l hсв)] γ ,

где l – полупролет подработки.

Условие работы панельного целика с запасом прочности

Вσсж = Рп kз.

После подстановки и преобразований ширина панельного целика будет определяться из выражения

В = 2lγ kз(Н – 2/3hсв)/(σсж – γНkз).

 

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЦЕЛИКОВ ПРИ КАМЕРНО-СТОЛБОВОЙ СИСТЕМЕ РАЗРАБОТКИ

Величина нагрузки, под влиянием которой в целике возникает состояние предельного равновесия, называ­ется несущей способностью целика.

На несущую способность целиков определяющее влияние оказывают следующие факторы: характер распределения в них напряжений; прочностные свойства пород; форма и размеры целиков; наличие горной выработки в целике и др.

Напряжения в опорных целиках (рис. 4.2) можно определить на основе гипотезы Протодьяконова

 

Q = 0,01γНc , МПа,

 

где γ – плотность налегающих пород, т/м3; Нс – высота свода естествен­ного равновесия, Нс= L/(2·tg(φ)), м; φ – угол внутреннего трения пород, град; L – ширина панели по простиранию, м.

 

 


 


Рис. 4.2. Схема к расчету столбчатых целиков

 

Сила Р', действующая на целик, зависит от размера приходящейся на него площади обнажения S о

Р' = Q·Sо .

При разработке наклонных рудных тел она будет не­сколько (примерно в cosα) меньше, что в совокупности с ориентацией целика длинной стороной относительно рудного тела и угла его «уста­новления» учитывается коэффициентом угла наклона залежи k а (табл.4.1): 

Р = Р'·kα , МН.

Таблица 4.1

Значения kα от ориентации целиков

Угол падения залежи, α, град

Значения kα при ориентации целиков длинной стороной

По простиранию По восстанию
0 1,00 1,00
10 0,99 0,99
20 0,97 0,94
30 0,93 0,88
40 0,87 0,79

 

Для обеспечения большей устойчивости целика его следует фор­мировать с некоторым наклоном в сторону восстания рудного тела под углом α' (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Рекомендуемые углы отклонения целиков от вертикальной оси

Угол падения залежи а, град 0 10 20 30 40
Угол наклона целика в сторону восстания рудного тела а', град 0 5 10 14 17

 

При расчете несущей способности целиков необходимо помнить, что его прочность в массиве за счет наличия различного рода поверхно­стей ослабления ниже, чем прочность в образце:

,

где - предел прочности пород в образце на сжатие, МПа, kстр – коэффициент структурного ослабления.

На несущую способность целиков существенное влияние оказывают их форма и размеры, что учитывается коэффициентом формы (kф = а/h). Зафиксировано, что при широких целиках (а/h > 1) максимальное на­пряжение приходится на периферийные части целика и при а/h > 4...5 его ядро находится в объемном напряженном состоянии, при котором предел прочности выше, чем при одноосном сжатии. При высоких цели­ках напряжение приходится на центральную их часть, к тому же она суммируется от смежных камер и действует по схеме одноосного сжа­тия. Поэтому формулу расчета прочности целика запишем в виде

 

Реакцию целика на прилагаемую к нему силу определим следую­щим образом:

.

Целик будет устойчивым, если его реакция R будет в несколько раз выше приложенной силы Р, т.е. R/P > n, где n - коэффициент запаса прочности (им учитывается влияние слабых, вязких прослойков в поро­де, сейсмическое действие взрыва, срок службы целика, мероприятия по его упрочнению, состояние смежных камер и т.п.). Принимать n можно по табл. 4.3.

Таблица 4.3

Значение коэффициента запаса прочности в зависимости от соотношения его сторон

Отношение длинной стороны в к короткой а ≤2 2...4 >4 Ленточные целики
Коэффициент запаса прочности 3,7 3,2 2,8 2,8

 

Окончательно, с учетом всех участвующих в расче­тах составляющих, получим формулу определения параметров квадрат­ных и прямоугольных целиков:

,

где а и b – ширина и длина целика , м; А и В – ширина камеры и просечки, соответственно, м.

Расчет параметров панельных целиков базируется на положениях, приведенных выше. Но в данном случае давление на них определяют от всего веса столба налегающих пород (от поверхности). Также здесь не­обходимо учитывать, что целики данного вида ленточные и практически всегда широкие. Отсюда окончательную формулу вычисления ширины панельного целика запишем в виде

 ,

где Н – глубина залегания рудного тела, м.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается сущность метода Турнера – Шевякова?

2. В чем заключается сущность гипотезы свода давления?

3. В каких случаях применяют способ поддержания очистного пространства естественными целиками?

4. Что такое несущая способность целика?

5. Какие факторы и как влияют на несущую способность целиков и их параметры?

6. Как влияет глубина разработки на параметры целиков?

7. Почему в ряде случаев опорные целики воспринимают нагрузку от веса породы в пределах свода естественного равновесия, а в ряде слу­чаев от полного веса пород до поверхности?

 

 





ЛЕКЦИЯ №5

План лекции

1. Расчет междукамерных целиков при разработке крутопадающих залежей.

2. Расчет междуэтажных целиков при разработке крутопадающих залежей.

3. Погашение целиков и ликвидация пустот.

4.Правила безопасного ведения работ при камерных системах разработки

УПРАВЛЕНИЕ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ ЦЕЛИКАМИ

ПРИ РАЗРАБОТКЕ КРУТОПАДАЮЩИХ ЗАЛЕЖЕЙ

 

При эксплуатации залежей крутого падения возникает необходи­мость в оставлении целиков не только в горизонтальной плоскости (по простиранию рудного тела между соседними камерами), но и в верти­кальной (между смежными этажами). Такие целики называют междукам­ерными (МКЦ) и междуэтажными (МЭЦ), соответственно (рис. 5.1). Следует отметить, что данные целики работают совместно.

 


Рис.5.1. Схема к расчету несущей способности целиков

 

Проведем расчет МКЦ и МЭЦ, используя методику А.А. Иливицкого, созданную для условий разработки месторождений с ориентацией выемочных единиц длинной стороной вкрест простирания залежей.

Расчет параметров МКЦ схож с определением габаритов панель­ных целиков, оставляемых при пологом залегании рудных тел. Однако в связи с их большими размерами (высотой порядка 50 м и шириной до 10... 15 м) в схему нагружения входит давление от веса материала самого целика. В зависимости от угла залегания рудного тела α, различают 3 случая:

α= 90 ÷ 80° - определяющее значение имеет вертикальное давле­ние Q1 от полного веса налегающего массива;

α = 80 ÷ 70° - определяющее значение имеет либо вертикальное давление  Q1, либо давление от веса пород в пределах призмы сползания висячего бока Q;

α < 70° - определяющее значение имеет давление от веса пород, находящихся в пределах призмы сползания Q.

Исследования показывают, что до глубины ≈ 350 м давление на целик оказывает столб пород от поверхности, при дальнейшем углубле­нии разработки оно за счет бокового распора перераспределяется, и по­этому высота нагружающих целик пород Н составляет Н ≈ 3,5·М, м. За­кономерности устойчивого состояния междукамерного целика опишем следующими уравнениями по рекомендациям А.О. Баранова:

при α = 90 – 80о

            (5.1)

при α = 80 – 70о расчет производится по вертикальному давлению:

,                       (5.2)

где

или по боковому давлению:

,              (5.3)

здесь

 

где h - высота целика, м; А - пролет камеры по простиранию, м; γср; γц и γ – средняя плотность налегающих пород, руды и боковых по­род соответственно, т/м3;α, β и γ – углы залегания рудного тела, сдвиже­ния пород висячего бока и внутреннего трения пород соответственно, град; р и q – реакции целика при боковой и вертикальной нагрузках, Н/м; п – коэффициент запаса прочности (равный 2,5 при открытых камерах); а - ширина целика, м.

При α < 70° ширину целика определяем по формуле (5.3).

Экспертно ширину МКЦ можно увязать с мощностью рудного те­ла М. Если М < 10 (15) м, то аМ, при этом камеры ориентируют длин­ной стороной по простиранию рудного тела, и длина их составляет по­рядка 50 м; при М > 10 (15) м а 10 (15) м камеру ориентируют длин­ной стороной вкрест простирания залежи и ширину ее оптимизируют, приняв длину равной мощности (при этом ширина камеры должна быть кратной ширине верхних оснований рудоприемных воронок).

Междуэтажные целики включают в себя днище вышележащего этажа и потолочину, оставляемую в кровле камер. Расчетами определя­ют лишь толщину потолочины, старое днище идет в резерв прочности МЭЦ. При определении устойчивых размеров потолочины учитывают давление от собственного веса потолочины и от веса налегающих пород в пределах верхнего этажа:

,

где hп - высота потолочины;  - предел прочности массива руды на растяжение, МПа; γ2 - плотность материала, находящегося в отработан­ной вышерасположенной камере (может быть представлен закладкой, обрушенными породами), т/м3; п - коэффициент запаса прочности пото­лочины (в данном случае равен ≈ 3).

Толщина потолочины также соизмерима с мощностью рудного тела: при М > 10 м она составляет ≈ 10 м; при М < 10 м – hп ≈ М.

ПОГАШЕНИЕ ЦЕЛИКОВ И ЛИКВИДАЦИЯ ПУСТОТ

При разработке рудных тел системами разработки с открытым очистным пространством остаются пустоты, объемы которых увеличиваются по мере эксплуатации месторождения. Опорное давление на оставленные целики возрастает, что может привести к внезапному их разрушению. Это может вызвать внезапные обрушения подработанной толщи пород, воздушные и динамические удары.

Для обеспечения безопасности работ необходимо своевременно производить ликвидацию образовавшихся пустот. Пустоты могут быть заложены раздробленной породой или закладочным материалом. При нецелесообразности данных работ целики обуривают, заряжают ВВ и взрывают, чем обеспечивается ликвидация пустот за счет заполнения выработанного пространства обрушенными породами кровли и висячего бока залежи.

Выемка целиков осуществляться более полно и безопасно, если они и остающиеся объемы пустот после производства очистных работ имеют правильную форму. Для их извлечения составляются специальные проекты по организации и производству работ.

Если руда крепкая и малоценная руде, обычно, целики обуривают и взрывают.

При отработке месторождений со слабыми, трещиноватыми рудами погашение целиков может производиться вслед за выемкой ряда камер с некоторым отставанием. Плавная посадка налегающей толщи пород обеспечивается следующим образом. Размеры целиков выбирают такими, чтобы в них по мере нагружения развивались пластические деформации. По мере их развития происходит плавное разрушение целиков без динамических проявлений горного давления.

На уральских железорудных месторождениях, представленных горизонтальными, пологими, наклонными и крутопадающими рудными телами различной мощности и крепкими устойчивыми породами при камерных системах разработки применяется массовое взрывание целиков. Первоначально вынимаются камерные запасы на площади, превышающей предельную площадь подработки для обрушения налегающих пород до поверхности. В условиях уральских железорудных месторождений она составляет 5 – 10 тыс. м2 и более. Параметры подработки выбирают на основании конкретных горно-геологических условий. Затем одновременно производят взрывание целиков, чем и обеспечивается надежное обрушение пород.

Неликвидированные по каким-либо причинам пустоты должны быть надежно изолированы от действующих горных выработок. Изоляция обычно производится созданием предохранительных породных или рудных «подушек» или возведением перемычек в подходящих к выработанному пространству выработках.

Перемычки бывают бетонные, железобетонные, каменные, деревянные или комбинированные. Наиболее простой и дешевый способ возведения перемычек – завал соединяющихся с пустотами выработок путем их взрывания, обычно, на высоту, превышающую вдвое высоту выработки.

Устройство предохранительных «подушек» в отработанных камерах осуществляют за счет оставления части отбитой руды на почве или специально с этой целью производят подрывку пород кровли и боков. Толщина таких подушек определяется на основании требований погашения скорости выталкиваемого из камеры воздуха при внезапном самообрушении пород. Безопасными считаются скорость воздуха не более 15 м/с, а давление – 0,19 МПа. Скорость выходящего из камеры воздушного потока зависит от площади сечения камеры, высоты падения пород, толщины и свойств материала перемычки или предохранительной «подушки».

В случае высокоценных руд целики, как правило, вынимают после закладки отработанных смежных камер. При этом выбирают такие способы их выемки, которые удовлетворяют требованиям более полного извлечения руды. В этом случае могут применяться системы разработки с закладкой, магазинированием, креплением, слоевым или подэтажным обрушением. Наиболее эффективо можно отработать те целики, которые сохраняют свою устойчивость, мало деформированы и имеют достаточные размеры, обеспечивающие сохранность пройденных в них выработок.

Более сложно отрабатывать одиночные столбчатые целики из-за опасности вывалов кровли и возможного их разрушения в процессе выемки. В этом случае для обеспечения безопасности работ до начала выемки рядом с извлекаемым целиком обычно возводят искусственные (бетонные) опоры, прочно подпирающие кровлю и обеспечивающие на период выемки ее устойчивость. Кроме того, предполагая выемку таких целиков, необходимо заранее в процессе выемки камер надежно укрепить кровлю анкерами или химическим составом.

ТЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОГО ВЕДЕНИЯ РАБОТ ПРИ КАМЕРНЫХ СИСТЕМАХ РАЗРАБОТКИ

Одним из важнейших условий безопасности работ при эксплуатации месторождений различными вариантами системы разработки с открытым очистным пространством является правильный выбор размеров, формы целиков (междукамерных, междуэтажных, опорных, панельных и др.) и пролетов камер, которые должны рассчитываться по существующим нормам и правилам таким образом, чтобы исключалась опасность их разрушения в течение всего срока службы.

Если в процессе отработки камеры обнаруживаются нарушения пород в кровле и целиках, угрожающие проведению работ, то очистная выемка должна быть прекращена до окончания мероприятий по укреплению целиков и приведения кровли в безопасное состояние

Правилами безопасности требуется в начале каждой смены и в процессе очистных работ проверять состояние кровли и стенок рабочего забоя. В случае опасности необходимо ликвидировать отслоения, установить крепь (штанги, распорки). Очень важно, чтобы в процессе простукивания забоев и ликвидации зависаний не проводилось никаких других работ. При появлении признаков самообрушения пород кровли очистные работы в камере должны быть прекращены, а люди удалены в безопасное место. Выработки, прилегающие к камере, опасной в отношении самообрушения кровли, должны быть перекрыты для доступа людей. Возобновляют работы в таких камерах только по разрешению главного инженера шахты.

При камерных системах разработки оси целиков и камер в блоках на всех горизонтах должны располагаться в одной вертикальной плоскости. Если не соблюдается соосность целиков и камер по восстанию, то между этажами должен оставляться ленточный целик такой толщины, чтобы не было опасных концентраций напряжений и деформаций в потолочинах камер;

если целики в дальнейшем предстоит отрабатывать, то необходимо составлять специальные проекты производства работ по их извлечению;

при выемке целиков должны соблюдаться следующие условия:

междуэтажные и междукамерные целики при открытых смежных камерах отрабатываются только путем их массового обрушения, причем все подготовительные работы по обрушению целиков выполняются до окончания выемки камер;

при обрушении междуэтажных (потолочных) целиков скважины должны буриться из выработок, находящихся за контуром камеры; при незаложенных камерах не разрешается выполнять какие-либо работы в этих целиках, кроме заряжания скважин или минных камер;

если смежные камеры не заполнены рудой или породами, в целиках запрещается проводить выработки, нарушающие их устойчивость и не предусмотренные проектом;

запрещается оставлять целики при незаложенных камерах на высоту более одного этажа, а при заложенных – более, чем на два этажа.

Контрольные вопросы

1. Опишите методику расчета МКЦ при разработке крутопадающей залежи?

2. Почему при расчете МЭЦ ограничиваются расчетом потолочины?

3. Как меняется ориентировка расположения камер относительно элементов залегания рудного тела в зависимости от ее мощности?

4. Для чего и как происходит погашение целиков и ликвидация пустот?

5. Охарактеризуйте требования безопасного ведения работ при камерных системах разработки.

 


Дата: 2019-02-25, просмотров: 405.