Способы управления горным давлением
Процессы перераспределения напряжений с образованием вокруг контура выработки различных зон обрушений пород развиваются во, времени с разной скоростью в зависимости от горно-геологических условий: состояния пород, степени трещиноватости, глубины заложения выработки и ее размеров. При хрупкой горной породе и большой величине действующих на контуре напряжений (особенно при наличии тектонических процессов) возможно внезапное взрывообразное разрушение поверхностей обнажений – горные удары. Горным ударам иногда сопутствует отскок от плоскостей обнажения различных по размерам частей породы с большой скоростью — «стреляние» пород.
При большой пластичности пород и неустойчивом состоянии контура выработки иногда происходит медленное течение пород внутрь выработки без заметного разрушения сплошности массива.
Совокупность сил, действующих в массиве вокруг горных выработок, принято называть горным давлением. В более узком понимании горным давлением называют давление горных пород, окружающих выработки, на горную крепь.
Горное давление проявляется в разных формах, главными из которых являются деформации боковых пород, их обрушение, деформации и разрушение крепей, горные удары, пучение и др. Характер проявлений горного давления зависит от многих факторов: физико-механических свойств массива горных пород, их трещиноватости, формы и размеров подземных выработок, глубины их заложения, срока службы, наличия или отсутствия крепи и др.
Для охраны горных выработок от обрушения и безопасного ведения горных работ в них намечают мероприятия по регулированию проявлений горного давления, которые обычно называют мероприятиями по управлению горным давлением. Эти мероприятия сводятся к выбору крепи и рациональных способов крепления выработок, а также проведению специальных мер по предупреждению массовых обрушений боковых пород в очистные выработки, предотвращению горных ударов и внезапных выбросов угля и газа. Для охраны капитальных и подготовительных выработок глубоких шахт перед постановкой крепи окружающий выработку массив иногда упрочняют различными специальными способами для повышения устойчивости породных обнажений и крепи выработок.
По условиям поддержания выработки подразделяют на две основные группы:
— Первую составляют выработки, находящиеся вне зоны влияния очистных работ.
— Вторую группу составляют выработки, находящиеся в зонах опорного давления и сдвижения пород выработанных пространств, создаваемых в результате выемки рудных тел или угольных пластов.
Известны следующие способы управления горным давлением для охраны выработок глубоких горизонтов:
1. использование естественных горно-геологических условий;
2. снижение действующих напряжений в массиве пород, окружающих выработку;
3. использование рациональных конструкций крепей;
4. упрочнение пород;
5. применение современной рациональной технологии сооружения выработок.
1. Использование естественных горно-геологических условий для охраны капитальных выработок сводится к размещению их в прочных породах и расположению вкрест простирания пород. Опыт показывает, что выработки, пройденные вкрест простирания пород, имеют значительно большую устойчивость по сравнению с выработками, пройденными, по простиранию.
Подготовительные выработки лучше проходить вне зоны влияния очистных работ или в обширных зонах разгрузки, которые образуются над и под очистными выработками больших размеров.
2. Снижение напряженного состояния массива горных пород сводится к его подработке посредством выемки расположенного над массивом пласта. Напряжения в горном массиве в этом случае понижаются, что сказывается на повышении устойчивости выработок, расположенных ниже пласта. Иногда делают специальную разгрузку массива путем образования в нем вертикальных или горизонтальных щелей взрывными скважинами.
3. Управление горным давлением с использованием рациональных конструкций крепей заключается в выборе и возведении для конкретных горно-геологических условий жестких или податливых видов крепей. Этот выбор производится при условии, что заранее известна величина смещений породного контура выработки.
4. Эффективным способом повышения устойчивости выработок в слабых и трещиноватых породах на глубоких горизонтах является упрочнение массива способом тампонажа. Применение этого способа способствует восстановлению естественной прочности массива, а иногда и искусственному повышению его прочности. Наибольшее распространение получили механический (анкерная крепь), термический (замораживание) и физико-химический (цементация, химическое укрепление) способы упрочнения пород.
4.1. Анкерную крепь как средство упрочнения горных пород широко применяют в угольной и горнорудной промышленности. Наибольший эффект достигается после нагнетания раствора в массив через шпуры с последующей установкой железобетонных анкеров.
4.2. Упрочнение горных пород способом замораживания применяют в основном при проходке вертикальных стволов в сильно обводненных породах. Это наиболее трудоемкий и дорогостоящий способ охраны выработок в период проходки.
4.3. Для обеспечения и повышения устойчивости капитальных выработок, пройденных в слабых легкообрушающихся породах, в последнее время применяют на шахтах Донбасса упрочнение пород посредством тампонажа (цементации) горного массива. Вокруг выработки, таким образом, создается прочная породная оболочка, способная выдержать значительное горное давление.
5. Управление горным давлением путем применения рациональной технологии включает следующие способы:
— применение контурного взрывания, или комбайнового способа проведения;
— проведение выработок в два этапа;
— возведение жестких крепей с отставанием от проходческих работ;
— последовательное ведение проходческих работ в выработках, расположенных параллельно;
— забутовка (заполнение) пустот между крепью и породным обнажением.
5.1. Применение контурного взрывания, или комбайнового способа проходки, способствует снижению коэффициента концентрации напряжений на контуре выработки в 2—3 раза по сравнению с обычным буровзрывным способом проходки. Неровности контура за крепью обычно создают сосредоточенную нагрузку на крепь, вызывающую ее деформацию и разрушение.
5.2. Сущность способа двойной проходки выработки заключается в проведении передовой выработки с временной податливой крепью и последующим расширением ее до проектных размеров. Расширение выработки до проектных размеров производится с отставанием во времени на 2—3 мес с одновременным возведением постоянной жесткой крепи. Такой способ проведения способствует постепенному снижению напряжений в зоне неупругих деформаций и лучшей сохранности крепи выработки. Этот способ применяется в Донбассе.
5.3. Возведение жестких крепей с отставанием от проходческих работ на 1—4 месяца способствует тому, что за этот период реализуется 50—80 % конечных смещений породного контура и крепь не разрушается. В слабых трещиноватых и обводненных породах, где смещение пород носит незатухающий характер, возведение жесткой крепи ведут с отставанием в 1,5—2 месяца от проходческих работ. При длительных перерывах в проходческих работах постоянная крепь должна отставать от забоя на 15—20 м, так как забой выработки сдерживает проявление смещений пород только на расстоянии 10—15 м. Время и место возведения податливой крепи не оказывают существенного влияния на устойчивость выработок при условии совпадения направлений податливости и наибольших смещений пород.
5.4. Существенное влияние на устойчивость капитальных выработок оказывают их взаимное расположение и последовательность проходческих работ. Практика показывает, что большая изрезанность массива пород в пределах околоствольных дворов является одной из причин разрушения крепи. Так, при расположении выработок на относительно небольшом расстоянии одна от другой коэффициент концентрации напряжений на контурах увеличивается в 1,2—1,5 раза. На основе наблюдений установлено, что взаимное влияние выработок в породах с коэффициентом крепости по шкале проф. М. М. Протодьяконова f = 3÷8, пройденных на, глубинах 600—1000 м, исключается, если расстояние между ними не менее 15—20 м (для глубин 600 м) и не менее 20—50 м (для глубин 1000 м). Меньшие расстояния между выработками относятся к породам с f = 8. Если невозможно выдержать эти расстояния между выработками, то параллельные выработки должны провериться одновременно с последовательным ведением в них проходческих работ.
5.5. Для снижения и более равномерного распределения горного давления на крепь существенное влияние оказывает забутовка пространства за крепью выработки. Правильный выбор вида забутовки и ее параметров значительно способствует улучшению условий работы крепи.
Источник
Управление горным давлением
УПРАВЛЕНИЕ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ (а. stata соntrol, roof соntrol, ground pressure соntrol; Н. Beherschung des Gebirge, Beherschung des Gebirgsdrucks; ф. maotrise de la pression de terrains, соnduite de la pression de terrains; и. соntrol de presion de rocas) — совокупность мероприятий по ограничению интенсивности проявлений горного давления в целях обеспечения безопасности и необходимых производственных условий в горных выработках.
Управление горным давлением в капитальной или подготовительной выработке имеет своей целью ограничить смещения контура выработки и предотвратить вывалообразование в кровле. Оно осуществляется путём назначения адекватных конструктивных параметров крепей горных — несущей способности и податливости. Для блочных и тюбинговых крепей эти параметры регулируются моментом сопротивления, прочностными свойствами материала и деформационными свойствами податливых прокладок между элементами (если они имеются). У рамных крепей несущая способность регулируется, кроме того, расстоянием между рамами и конструкцией соединительных замков (узлов податливости). Управление горным давлением в подготовительных выработках, сохраняемых после прохода лавы, осуществляется также возведением охранных сооружений (полос, органной крепи и т.п.) за контуром выработки (см. Охрана горных выработок).
Одним из способов управления горным давлением в капитальных и подготовительных выработках является расположение их в разгруженных зонах, которые образуются при надработке очистными работами (подработка с этой целью практикуется редко).
Управление горным давлением в очистных выработках угольных шахт сводится к недопущению больших зависаний пород кровли. Наиболее распространено полное обрушение кровли и в значительно меньшем объёме полная закладка выработанного пространства. При первом из этих способов управления горным давлением непосредственная кровля самопроизвольно обрушается за задним рядом стоек призабойной крепи (индивидуальной или механизированной). Основная кровля в благоприятных условиях подбучивается обрушенной породой и сохраняет свою целостность. Когда мощность непосредственной кровли мала, подбучивания не происходит и основная кровля обрушается со сравнительно большим шагом. Для уменьшения этого шага применяется разрушение основной кровли взрывами специальных зарядов — торпед (торпедирование) и другие подобные мероприятия. При полной закладке выработанное пространство заполняется закладочным материалом. Применяются также способы частичной закладки, частичного обрушения, плавного опускания кровли и удержания на кострах.
Управление горным давлением при камерно-столбовой системе разработки рудных месторождений осуществляется путём оставления целиков, достаточных для поддержания вышележащих пород.
Управление горным давлением при открытой разработке состоит в основном в назначении углов откосов, исключающих возможность их сползания.
Источник
Методы управления горным давлением
Способы управления горным давлением при очистной выемке можно разделить на 3 группы:
1.) естественное поддержание очистного пространства при выемке руды;
2.) обрушение вмещающих пород на отбитую руду (т.е. при выемке руды очистное пространство не поддерживается);
3.) искусственное поддержание очистного пространства при выемке руды.
1. Естественное поддержание очистного пространства при выемке руды осуществляется за счет естественной устойчивости окружающих пород и еще не выработанных участков руды. Горное давление при этом регулируют за счет выбора формы и размеров очистного пространства и размеров поддерживающих целиков.
2. Обрушение вмещающих пород на отбитую руду, произведенное своевременно, позволяет избежать внезапных самообрушений больших масс пород и снижает опорное давление в соседних блоках. Обрушение вызывают или обнажением пород, или взрыванием зарядов ВВ.
3. Искусственное поддержание очистного пространства при выемке руды осуществляется с помощью закладки или реже крепления. Искусственное поддержание связано с затратами труда и материалов, поэтому применяют его главным образом тогда, когда другие способы управления горным давлением неприемлимы технически или не обеспечивают достаточно полной и чистой выемки руд.
Вопросы определения рациональных размеров целиков и камер были рассмотрены ранее, а обрушение пород рассматривается при изучении систем разработок, при которых его применяют. Сейчас рассмотрим основные положения систем разработки с закладкой выработанного пространства.
Закладка заключается в заполнении выработанного пространства пустыми породами или другими материалами и представляет собой один из производственных процессов очистной выемки.
Применение закладки требует затрат, но дает возможность отработать запас этажа без оставления целиков и без обрушения вмещающих пород. Это обеспечивает минимальные потери и разубоживание руды, позволяет сохранить земную поверхность и отрабатывать возгорающиеся руды.
Закладка применяется при разработке ценных руд цветных, благородных и радиоактивных металлов, высококачественных железных руд и иногда горно-химического сырья.
Различают закладку самотечную, механическую, пневматическую, гидравлическую и твердеющую.
Самотечная закладка применяется чаще всего после полной отработки очистной камеры. Материал – пустые породы, получаемые попутно при проведении горных выработок, а также пески, гравий и скальные породы, поступающие с отвалов.
При механической закладкезакладочный материал распределяют в очистном пространстве с помощью скреперных установок, самоходного оборудования, конвейеров, а также метательных закладочных машин.
Гидравлическая закладкасостоит из следующих операций: подготовка закладочного материала (например, дробление), смешение его с водой, гидротранспортирование пульпы по трубам, подготовка выработанного пространства к гидрозакладке, намыв закладочного массива, отвод и осветление воды с последующей ее откачкой на поверхность.
Твердеющая закладка.В качестве закладочного материала используется смесь инертных материалов с вяжущими добавками, которые, реагируя с водой, образуют монолитный массив. Закладочная смесь состоит из инертных наполнителей (песок, гравий, щебень, обесшламленные хвосты обогатительных фабрик, гранулированный шлак), вяжущего, пластификаторов и воды. В качестве вяжущего используют цемент, природные химические соединения (ангидрид, гипс, пирротин), а также молотые шлаки доменного производства и золы ТЭЦ. Прочность закладочных материалов на сжатие относительно невысока (в основном 2,5-7,0 МПа). Тем не менее по устойчивости закладочные массивы за счет вязкости близки к массиву устойчивых пород и выдерживают обнажения, например, вертикальные до 50х50 м 2 и более.
Влияние на горное давление оказывают в значительной степени технологические параметры при проведении горных выработок. Так если образованы две выработки, то горное давление в интервале между ними по сравнению с опорным давлением близ одиночной выработки возрастает в тех случаях, когда расстояние между выработками менее, чем расстояние между максимальными значениями вертикальных сжимающих напряжений. Отсюда следует, что, во-первых, подготовительные выработки по возможности следует располагать на расстоянии от очистного пространства больше, чем расстояния максимальных сжимающих напряжений; во-вторых выемку руды желательно вести так, чтобы число узких участков между очистными выработками было минимальным; в-третьих, образовывать одну очистную выработку от другой на меньшем расстоянии можно лишь при условии, что в этой другой выработке уже возведена искусственная опора (например, из бетонной закладки).
Источник
