www.geomehanika.org



Напряженно-деформированное состояние призабойного массива с тектоническими нарушениями



Главная О сайте В гости к Инсену Турмалин Обратная связь Карта сайта


М. В. КУРЛЕНЯ, В. И. КОРОТКИХ, А. П. ТАПСИEB

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИЗАБОЙНОГО МАССИВА С ТЕКТОНИЧЕСКИМ НАРУШЕНИЕМ

Отработка пологой рудной залежи Октябрьского месторождения на глубинах порядка 700 м и более сопровождается динамическими проявлениями горного давления. Сплошная выемка руды ведется слоями в пределах вертикальных выемочных полос с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями. Проходка и закладка параллельных разрезных штреков по контакту с мощной налегающей толщей интрузивных пород и сооружение сплошного железобетонного защитного слоя осуществляются с опережением фронта очистных работ.

Для условий отработки характерно то, что очистные выработки, а также выработки защитного слоя ориентированы практически вдоль простирания многочисленных субпараллельных тектонических разрывов типа сброс и повсеместно распространенных крутопадающих мелких природных трещин. Приближение сплошного фронта отработки к сбросу на расстояние менее 30—40 м обычно сопровождается ухудшением состояния передовых выработок вследствие активизации проявлений горного давления. Причем характер этих проявлений зависит от того, с какой стороны очистные работы двигаются на сброс [1].

Приближение горных работ к сбросу со стороны лежачего крыла, как правило, сопровождается такими явлениями, как шелушение и интенсивное заколообразование на боках выработок, треск в горном массиве. Разрушениям подвергается каждая передовая выработка защитного слоя до тех пор, пока очистные работы не достигнут плоскости тектонического разрыва. Защиту выработок от действия повышенных напряжений в таких ситуациях удается обеспечивать образованием в краевой части горного массива горизонтальных разгрузочных щелей.

По иному горное давление проявляется при приближении сплошного фронта очистных работ к сбросу со стороны висячего крыла. Наряду с явлениями, имеющими место в предыдущем случае, здесь нередко происходят внезапные, крупномасштабные разрушения передовых выработок, которые приводят к аварийной остановке горных работ. Предотвратить подобные разрушения путем создания в краевой части горного массива горизонтальных разгрузочных щелей не всегда удается.

Для выявления причин указанных различий и определения эффективных мер борьбы с опасными проявлениями горного давления в натурных условиях месторождения выполнен комплекс исследований. Он включает измерения напряжений и деформаций в ограничиваемой сбросом краевой части рудного тела, наблюдения за сдвижением подрабатываемой толщи пород, визуальные обследования создаваемых выработками обнажений горного массива.

Напряжения измерялись методом полной разгрузки торца выбуриваемого из скважины керна с использованием оптических датчиков [2], деформации — с помощью глубинных реперов, оборудуемых в горизонтальных и вертикальных скважинах. Сдвижение подрабатываемой толщи оценивалоеь с помощью геометрического нивелирования в выработках вентпляционно-закладочного горизонта.

Интенсивная эксплуатация используемых для измерения выработок, а также агрессивность шахтной среды, ограничивающая срок службы размещаемых в скважинах измерительных устройств, существенно сужали возможности выполнения наблюдений как в части их объема, так и продолжительности. К этому следует добавить, что пространственное положение и характер тектонического нарушения впереди фронта очистных работ достоверно определяются лишь на стадии эксплуатационной разведки, так что заранее подготовить, а затем провести всесторонние наблюдения на одном и том же участке шахтного поля очень трудно. Поэтому исследования выполнялись на нескольких участках шахтных полей рудников «Октябрьский» и «Таймырский» в сходных горно-геологических условиях.

Глубина залегания рудного тела на участках колебалась от 800 до 1000 м. Вертикальная амплитуда смещения крыльев сбросов 5—15 м. Углы падения тектонических нарушении не выходили из диапазона 55—75°. Сбросы простирались под углами 10—20° к линии сплошного фронта очистных работ.

Всего было шесть наблюдательных участков. На трех из них сброс имел падение навстречу движению фронта отработки; на других трех — согласно его движению. Каждое из перечисленных инструментальных наблюдений выполнялось и для первого положения сброса относительно фронта отработки и для второго. Напряжения измерялись на участках 1 (рис. 1, а) и 2 (рис. 1, в); вертикальные деформации — на участках 2 (рис. 1, в) и 3 (рис. 2, я); горизонтальные деформации — на участках 3 (рис. 2, а) и 4 (рис. 2, г); сдвижение налегающей толщи пород — на участках 5 (рис. 3, а) и 6 (рис. 4,а). На всех участках по мере выполнения измерении проводились визуальные наблюдения.

Напряжения и деформации в краевой части горного массива измерялись при расстоянии между фронтом очистных работ и сбросом 20—40 м, при пролетах выработанного пространства 100—300 м. В период измерений на всех участках фронт очистных работ по защитному слою был неподвижен, за исключением участка 2, где при измерениях вертикальных деформаций очистные работы по защитному слою приблизились к сбросу па 16 м. Под защитным слоем на всех участках производилась выемка основных слоев. В течение измерений отработаны 1—2 выемочных полосы.

Для оценки напряжений, действующих в краевой части рудного массива, из подготовительных выработок, параллельно очистному фронту бурились горизонтальные скважины. Измерения производились па глубинах 6—10 м от их устья. Положение измерительных скважин показано на разрезах по наблюдательным участкам 1 и 2 (см. рис. 1, а, в).

Измерения вертикальных деформаций велись с помощью станций глубинных реперов, установленных в вертикальных скважинах. На участке 2 (см. рис. 1, в) реперы станций I—IV были установлены на глубинах 6 и 9 м от устья скважин. На участке 3 (см. рис. 2, а) реперы станций V и VI располагались на глубинах 9 и 12 м; реперы станции VII — на глубинах 6 и 9 м. Отсчеты по станциям глубинных реперов снимались через 0,5—5 мес в зависимости от развития очистных работ.

Для измерения горизонтальных деформаций краевой части рудного массива на участке 3 в горизонтальной скважине, пробуренной навстречу очистному фронту, была установлена станция VIII; на участке 4 в такой же скважине — станция IX. В обоих случаях база измерений составляла 8 м. Положение станций VIII и IX представлено на разрезах по участкам 3 и 4 на рис. 2, а и 2, г соответственно.

Наблюдения за сдвижением налегающей толщи пород начинались при пролетах 56—60 м и заканчивались при общей ширине выработанного пространства 136—144 м, когда расстояние между защитным слоем и сбросом в плане составляло 20—24 м. Реперы геометрического нивели-



Рис. 1. Исследование напряженно-деформированного состояния краевой части горного массива на участках 1 и 2 (а — состояние горных работ, номера и положение горизонтальных скважин для измерения напряжений на участке 1; б — результаты измерения напряжений на участке I; в — состояние горных работ, номера и положение горизонтальных скважин для измерения напряжений, номера и положение станций глубинных реперов в вертикальных скважинах на участке 2; г — результаты измерения напряжении на участке 2; д — результаты измерения вертикальных деформаций на участке 2).

рования оборудовались в выработках вентиляционно-закладочного горизонта в 20—30 м над рудным телом. Нивелирование выполнялось раз в год в течение 5—6 лет. Положение реперов геометрического нивелирования с учетом развития горных работ по сооружению защитного слоя дано на разрезах по 5-му и 6-му наблюдательным участкам (на рис. 3, а и 4, а). Результаты измерений, полученные на участке 1, представлены на рис. 1, б, на участке 2 — на рис. 1, г, д; на участке 3 — на рис. 2, б, в; на участке 4— на рис. 2, д; на 5-м — на рис. 3, б; на 6-м — на рис. 4, б. По всем измеряемым параметрам состояние краевой части горного массива, ограниченной сбросом с падением в направлении подвигания фронта очистных работ, отлично от того, которое имеет место при падении сброса навстречу подвиганию фронта.

Рис. 2. Изучение напряженно-деформированного состояния краевой части горного массива на участках 3 и 4 (о — состояние горных работ, номера и положение станций глубинных реперов на участке 3; б — горизонтальные деформации краевой части рудного массива на участке 3; в — вертикальные деформации краевой части рудного массива на участке 3; г — состояние горных работ, положение станции глубинных реперов на участке 4: д — горизонтальные деформации краевой части рудного массива на участке 4).

Для удобства сопоставления результаты измерений сведены в таблицу.

Еще одно различие в характере деформирования краевых частей обнаружилось при визуальных обследованиях обнажений горного массива. На участке 5, при приближении фронта к падающему согласно направлению его движения сбросу на расстояние 16—20 м, в верхней части рудного тела наблюдалось раскрытие берегов тектонического разрыва на 0,7—1,2 мм. При таком расположении сброса и очистных работ это явление в условиях месторождения наблюдалось и ранее [3]. При приближении очистных работ к сбросу с падением навстречу движению фронта раскрытия тектонической трещины не отмечалось.

При обобщении полученные результаты дают следующие представления о механизмах нагружения и деформирования ограничиваемых сбросами краевых частей горного массива.


Измеряемые параметры Направление падения сброса
Согласно направлению движения фронта отработки Навстречу фронту отработки



Напряжения

Горизонтальные деформации
Вертикальные деформации
Сдвижение


Вертикальные сжимающие напряжения составляют 24-47 МПа, горизонтальные - 16-38 МПа.
Вертикальные сжимающие напряжения на 10-12 МПа выше горизонтальных
Рост деформаций растяжения до величин 2,0-2,7*10-4
Опережающее оседание подработанных частей пород относительно неподработанной части в лежачем крыле сброса. Отсутствие существенных вертикальных смещений неподработанной части пород лежачего крыла сброса относительнопород висячего крыла
Горизонтальные сжимающие напряжения - 24-32 Мпа, вертикальные - 4-9 МПа. Горизонтальные сжимающие напряжения на 20-25 МПа выше вертикальных.
Рост деформаций сжатия до величин 7,3*10-4
Оседание неподрабртанной части пород в висячем крыле сброса на величины, соимзмеримыми с величинами оседания подработанных частей висячего крыла. Опережение оседания неподработанной части пород висячего крыла сброса относительнопород лежачего крыла.


Рис. 3. Сдвижение подрабатываемых пород в районе сброса, падающего в направлении подвигания фронта очистных работ на участке 5 (а — номера и положение реперов геометрического нивелирования в выработке вентиляционно-закладочного горизонта, движение фронта защитной выемки к сбросу: цифровыми обозначениями 1—2, 2—3, ..., 4 — 5 отмечены выработки защитного слоя, пройденные в период между двумя соответствующими сериями нивелировок; штриховкой отмечены выработки защитного слоя, пройденные до начала нивелировок; точками — закладочный массив, сформированный при выемке основных слоев; б — оседание налегающих пород; 1, 2, ..., 5 — номера серий нивелировок; 1—16 июля 1985 г., 2—12 марта 1986 г.; 3—6 ноября 1987 г., 4 — 17 октября 1988 г., 5 — 14 июня 1989 г.).

Когда очистные работы приближаются к сбросу со стороны лежачего крыла, опережающее оседание подработанной части налегающей толщи пород относительно неподработанной означает, что подработанная часть пород в лежачем крыле сброса отделяется от вмещающего горного массива. Это вызывает разгрузку ограничиваемой сбросом краевой части от напряжений, обусловливаемых зависанием над выработанной полостью породной консоли. С другой стороны, раскрытие берегов тектонического разрыва свидетельствует об отделении призабойной части горного массива от висячего крыла сброса. В итоге под влиянием отработки между фронтом и сбросом вычленяется обособленный несущий элемент, в котором преобладают вертикальные сжимающие напряжения. За счет ослабления связей этого элемента с боковыми породами у него появляется некоторая степень свободы для того, чтобы реализовать приходящиеся, на него нагрузки путем разуплотнения в горизонтальном направлении.

Когда горные работы приближаются к сбросу со стороны висячего крыла, неподработанная часть толщи налегающих пород висячего крыла оседает совместно с подработанной. Как одно целое налегающие породы висячего крыла сброса смещаются по поверхности лежачего крыла вниз и навстречу подвиганию фронта очистных работ. Оседание вниз вызывает уплотнение неподработанной части налегающих пород и краевой части рудного массива в висячем крыле сброса в вертикальном направлении. При смещении пород навстречу подвиганию фронта очистных работ возникают силы горизонтального распора. Горизонтальное снятие препятствует развитию процесса оседания подработанной толщи пород, способствует увеличению удерживающегося над выработанным пространством объема породных масс за счет повышения изгибной жесткости налегающей толщи пород висячего крыла сброса, образующей своеобразную консоль, упирающуюся в лежачее крыло.

Таким образом, формы проявления горного давления обусловливаются различиями в механизмах нагружения и деформирования досбросовых участков горного массива.

Рис. 4. Сдвижение подрабатываемых пород в районе сброса, падающего в направлении навстречу подвиганию фронта очистных работ на участке 6 (а — номера и положение реперов геометрического нивелирования, движение фронта защитной выемки к сбросу; б — оседание палегающей толщи пород; 1 — 8 марта 1984 г.. 2—10 октября 1985 г., 3 — 28 мая 1986 г., 4 — 20 июня. 1988 г., 5 — 23 июля 1989 г.).

При падении сброса в направлении подвигания фронта многочисленные незатухающие разрушения передовых выработок непосредственно связаны со статическим действием в призабойной части рудного массива повышенных опорных нагрузок.

Внезапные крупномасштабные разрушения передовых выработок, имеющие место при движении очистных работ на сброс со встречным падением, не могут быть объяснены статическим действием тех или иных нагрузок. Так, возникающие под влиянием горных работ горизонтальные напряжения в налегающих породах должны расцениваться как благоприятный фактор, который способствует улучшению устойчивости обнажений при сплошной выемке [4]. Неэффективность защиты передовых выработок с помощью горизонтальных разгрузочных щелей указывает на то, что и вертикальные нагрузки не являются прямой причиной опасных проявлений горного давления. В данном случае речь может идти о вызванном отработкой скачкообразном смещении подрабатываемой породной массы консоли висячего крыла сброса, которое сопровождается срывом пород по плоскости тектонического нарушения относительно пород лежачего крыла, освобождением консоли от горизонтального распора, быстрой осадкой консоли на призабойную часть рудного массива. В результате призабойный рудный массив в висячем крыле сброса подвергается динамичной пригрузке в вертикальном направлении и разрушается.

Отсюда вытекают рекомендации по защите передовых выработок.

При приближении сплошного фронта очистных работ к падающему по ходу его движения сбросу следует повышать деформационную способность призабойной части горного массива в вертикальном направлении. Для этого пригодно создание между фронтом очистных работ и сбросом горизонтальных разгрузочных щелей.

При приближении фронта к встречнопадающему сбросу такая мера будет уже вспомогательной. Основные меры должны быть направлены на снижение горизонтальных напряжений в налегающих породах висячего крыла сброса, что позволит предотвращать опасность образования и скачкообразного смещения породной консоли. Поэтому в первую очередь здесь рекомендуется производить принудительную посадку подрабатываемых пород на закладочный массив или предварительное ослабление контакта между крыльями сброса до подхода к нему очистных работ.

Выполненные в условиях месторождения промышленные эксперименты показали, что приемлемым способом предварительного ослабления контакта между крыльями может быть опережающая подработка налегающих пород в районе тектонического нарушения, поскольку это придает процессу сдвижения необходимую плавность. Очевидно, что предложенный способ обладает не только этим положительным свойством. При попадании висячего крыла в зону влияния сплошного фронта очистных работ предварительно подработанное лежачее крыло будет оседать вниз и поэтому уже не будет направлять сдвижение пород висячего крыла навстречу фронту. Это означает, что в налегающих породах висячего крыла уже не будет возникать горизонтальный распор, способствующий зависанию над выработанным пространством породной консоли. Наконец, нельзя исключать из рассмотрения такой подход к решению проблемы защиты передовых выработок от проявлений горного давления, как создание и поддержание в налегающих породах, с помощью технически осуществимых приемов, необходимого уровня горизонтального распора в течение всего периода выемки руды в крыльях сброса. Определить возможности технологии горных работ в достижении этого результата — задача предстоящих исследований.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пащенко А. В. Разработка способов и параметров защитной выемки мощных пологопадающих рудных залежей, опасных по горным ударам: Канд. дис.— JL: ВНИМИ, 1983.

2. Хаимова-Малькова Р. И. Методика исследования напряжений поляризационно-оптическим методом.— М.: Недра, 1970. 3. Тапсиев А. П. Геомеханическое обоснование способов управления напряженно-деформированным состоянием краевых частей массива горных пород при сплошной выемке мощных пологих рудных залежей: Канд. дис,— Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1983.

4. Якоби О. Практика управления горным давлением.— М.: Недра, 1987.



HTML C уважением, для читателей сайта   WWW.GEOMEHANIKA.ORG

подняться на верх






60-69
70-79
80-89
90-99
2000

««Арал» сегодня. 
«Арал-Каспий» завтра?»

«В защиту Китая,
России и США»

«Катастрофа
Караганды»

Проблемы
геомеханики. § 1.
Проблемы
геомеханики. § 2.
Проблемы
геомеханики. § 3.
Проблемы
геомеханики. § 4.


Метод
Õ.S.ВАВО
в геомеханике
и его применение
на практике

§1. Физика прочности горных пород на сжатие

§2. Состояние горных пород массива

§3. Виды трещин в массиве

§4. Методы определения величин коэффициентов, ослабляющих прочность горных пород трещинами

§5. Зависимость напряженности массива от взаиморасположения слоев пород

§6. Совершенствованный паспорт прочности горных пород

§7. Деформируемость горных пород и методы определения их контуров в массиве

§8. Уравнения кривых поверхностей сдвигов в массиве горных пород

§9. Область применения метода Õ.S.BABO

§10. Пример практического использования метода Õ.S.BABO

Список использованных источников





«Как и где использовать и применять
« Геомеханику Õ.S. BABO.»»