И горных выработок от вредного влияния подземной разработки

 

Цель работы ­― получить практические навыки построения зон опасных сдвижений горных пород и предохранительных целиков вокруг зданий и сооружений рудника, определения безопасного местоположения подземных горных выработок.

 

Краткие теоретические сведения

 

В процессе очистной выемки масса пород над месторождением может деформироваться и оседать. Этот процесс называется сдвижением горных пород.

Часть земной поверхности, подвергнувшаяся сдвижению, с величиной оседания более 10 мм называют мульдой сдвижения.

По характеру и величинам деформаций поверхности в мульде сдвижения различают следующие зоны (рис. 1.1, 1.2) [1, 2]:

обрушения – при сдвижении земной поверхности с образованием крупных трещин (террас) и провалов. За границу принимается условно контур зоны трещин с разрывом 25 см и более;

зона трещин – при деформациях поверхности с разрывом сплошности и образованием хорошо различимых трещин;

зона плавных сдвижений – пластические деформации при сдвижении земной поверхности без разрыва сплошности. Здесь выделяют отдельно зону опасных сдвижений, где деформации земной поверхности достигают критических значений и представляют опасность для зданий, сооружений и других объектов.

При определенном соотношении глубины разработки, размеров выработанного пространства и крепости горных пород процесс сдвижения не достигнет земной поверхности или его проявления будут не опасными. В этом случае поверхность сохранит устойчивое состояние.

Глубина разработки, при которой не происходит сдвижение поверхности, называется безопасной глубиной. Отношение минимальной безопасной глубины Н _бз к мощности рудного тела m называется коэффициентом безопасности (К _бз):

К _бз = Н _бз / m.                                  (1.1)

В пределах зоны опасного влияния горных работ запрещается строительство промышленных сооружений, жилых зданий.

 

 

Рис. 1.1. Схема сдвижения при блочном строении пород

 

Рис. 1.2. Схема сдвижения при слоистом строении пород

 

Все промышленные (наземные и подземные) сооружения, общественные и жилые здания и другие объекты, попадающие в зону опасного влияния горных работ, подлежат охране.

Здания, сооружения и горные выработки в зависимости от своего назначения и конструктивных особенностей разделяют на три категории охраны (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Классификация охраняемых объектов

Категория охраны
I	II	III
1. Жилые и общественные здания 4–5 этажные   2. Многоэтажные здания обогатительных фабрик   3. Копры, здания подъемных машин, шахтные мастерские   4. Магистральные ж/д линии, МПС, мосты, виадуки   5. Основные вскрывающие выработки со сроком службы равным сроку отработки месторождения, в том числе:   главные вертикальные стволы с механизированным подъемом; основные вент. стволы; основные околоствольные выработки, подземные камеры с механическим оборудованием	1. Жилые и общ. здания, АБК 2–3 этажные   2. Местные ж/д линии   3. Трубы высотой 30–60 м   4. Горные выработки со сроком службы равным времени отработки отдельного участка, в том числе: вспомогательные стволы (лесоспуски, вентиляционные) капитальные рудоспуски, главные откаточные выработки, склады взрывчатых материалов, электровозное депо	1. 0дноэтажные жилые и общественные здания   2. Вспомогательные здания и склады   3. Шоссейные дороги   4. Русла рек, прудов   5. Подготовительные выработки, в том числе: блоковые восстающие, шурфы, вспомогательные квершлаги, штреки, откаточные орты, заезды
Допустимая величина смещения, сдвига, мм
20–50	50–150	150–300
Ширина бермы безопасности, м
20	10	5

 

 

К числу мероприятий, обеспечивающих надежность и безопасность эксплуатации сооружений и горных выработок, относят:

оставление предохранительных целиков;

расположение выработок вне зоны вредного влияния горных работ (за зоной сдвижения горных пород);

применение рациональных видов крепи.

Предохранительным (охранным) целиком называется часть горного массива, включающая находящиеся в ней части рудных тел, расположенная под охранным объектом и предназначенная для его защиты от вредного влияния горных разработок (рис. 1.3).

 

 

Рис. 1.3. Предохранительные целики при вскрытии вертикальными стволами и штольнями

 

Охрану сооружений с оставлением предохранительных целиков следует применять лишь в случаях, когда другие меры не применимы или экономически не выгодны. Поверхностные сооружения и горные выработки следует предохранять, как правило, путем расположения их за пределом зоны сдвижения.

Охраняемые объекты необходимо располагать на расстоянии 30–60 м от границы зоны сдвижения горных пород. Для проектируемых крупных сооружений и капитальных стволов в лежачем боку залежи ширину бермы В безопасности принимать не менее 50 м и до 100–120 м.

При построении предохранительных целиков для капитальных горных выработок охраняемую площадку располагать выше кровли выработки на величину h = 2 а при f >5 и h = 3а при f < 5, где а – ширина охраняемой выработки [1, 2].

 

Порядок выполнения работы

 

1. Изучить теоретические сведения.

 

2. Ознакомиться с исходными данными к расчету согласно варианту задания (табл. 1.2).

 

Таблица 1.2

Исходные данные к расчету

Показатели	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Мощность рудного тела, м	5	10	15	20	25	6	8	12	18	22	4	9	16	26	30
Угол падения, град	10	20	30	40	50	60	70	10	20	30	40	50	60	70	30
Глубина распространения от поверхности, м	205	210	315	320	430	425	205	210	215	320	325	350	255	260	265
Толщина наносов, м	5	10	15	20	30	25	5	10	15	20	25	30	5	10	15
Углы сдвижения, град
β	40	45	50	55	60	65	70	65	60	55	50	45	40	50	60
β1	50	60	50	60	50	60	50	60	50	60	50	60	50	60	50
δ	45	50	55	60	65	70	70	65	60	60	55	50	45	60	60
φ	45	50	55	60	65	70	75	70	65	60	55	50	45	55	65
γ	45	45	40	40	40	40	45	45	40	40	40	40	45	45	40

 

3. В качестве конкурирующих вариантов охраны объекта принять:                   

оставление предохранительного целика под охраняемый объект;

расположение объекта за зоной сдвижения горных пород.

 

4. Провести проверку условия устойчивого состояния земной поверхности.

Безопасную глубину при пологом залегании определить по формуле [1]:

Н _бз = m ķ _бз.                                             (1.2)

 

Величина коэффициента безопасности зависит от физико–механических свойств горных пород, технологии горных работ и ориентировочно может быть принята:

 

 при работе без закладки выработанного пространства – 200;

 при сухой закладке – 80;

 при гидрозакладке – 30;

 при бетонной закладке – 10.

Для объектов I, II, III категорий охраны величина коэффициента безопасности нужно принимать соответственно не менее 150, 100 и 50.

Условие устойчивого состояния земной поверхности для крутопадающих залежей, согласно исследований ВНИМИ, будет выполнено при соблюдении следующей зависимости [2]:

 

H _ф > Н _р =  ,                               (1.3)

 

где H _ф – фактическая глубина до верхнего контура выработанного пространства, м; Н _р – расчетная предельная глубина до верхней границы выработанного пространства, начиная с которой земная поверхность не претерпит критических деформаций, м; К – коэффициент, учитывающий крепость пород (табл. 1.3); m – вынимаемая нормальная мощность рудного тела, м (в случае применения систем с сухой, гидравлической или бетонной закладкой m следует умножить соответственно на 0,4, 0,3 или 0,2); L ¢ – горизонтальная проекция выработанного пространства на разрезе вкрест простирания рудного тела, м.

Таблица 1.3

Значение коэффициента К

Коэффициент прочности пород по М.М.Протодьяконову f	2–5	5–9	более 9
К	1	0,9	0,8

 

Зоны опасных сдвижений не строят, если:

 сдвижение горных пород над камерами (блоками) не вызывает на земной поверхности критических деформаций, т. е. когда H _ф > Н _р;

 применяются системы разработки с оставлением целиков, обеспечивающих устойчивое состояние массива горных пород.

 

5. Определить границу зоны опасного влияния подземной разработки и выбрать местоположение ствола за зоной сдвижения горных пород. Границы зоны опасных сдвижений на земной поверхности определяют, относительно выработанного пространства по углам сдвижения β, β₁, δ, φи γ (табл. 1.4) следующим образом (рис. 1.4):

 на план поверхности наносят контуры очистных выработок рассматриваемого горизонта;

 вкрест по простиранию рудного тела строят разрезы, на которые от нижней границы очистных выработок данного горизонта по углам сдвижения проводятся линии до пересечения с земной поверхностью;                    

 полученные точки переносят на план поверхности и соединяют плавной кривой, которая является границей искомой зоны.

Таблица 1.4

Обозначение углов зоны опасных сдвижений

У г л ы с д в и ж е н и я
в лежачем боку	в висячем боку		на фланге (по простиранию)	в наносах
	от нижней границы выработанного пространства	от верхней границы выработанного пространства
β1	β	γ	δ	φ

 

От границы зоны опасных сдвижений откладывают берму безопасности В, принимаемая согласно табл. 1.1, равной 50–100м (и более), что является местом возможного расположения охраняемого объекта. Вертикальные рудовыдачные стволы наиболее часто располагают в лежачем боку за зоной сдвижения по центру тяжести запасов рудного тела.

Численные значения углов сдвижения зависят от физико–механических свойств горных пород, их слоистости, угла залегания, глубины и т. п. В общем случае углы сдвижения пород можно принять по данным табл. 1.5 или следующим рекомендациям:

 при неслоистом строении 45–70°;

 при слоистом строении 30–65°;

 в крепких однородных породах 70–75°, а при большой глубине залегания 60–65°; 

 при однородных породах средней крепости 50–60°;   

 в наносах при толщине до 10 м φ= 45°, при толщине более 10 мφ = 40° и при большом их водонасыщении   φснижается до 15–12°.

 

6. Построить предохранительный целик для охраняемого объекта, расположенного в центре рудного тела. Границы предохранительного целика определить плоскостями, проведенными под углами сдвижения от границ охраняемой площадки поверхности.

Для объектов I и II категории предохранительные целики строят по углам сдвижения (табл. 1.5) [1, 2], а для объектов III категории – по углам разрывов (β'', β₁'', δ'', φ''и γ''), которые можно принять в пределах 70–85° (т. е. на 5–10° больше углов сдвижения).

Таблица 1.5

Характеристика углов сдвижения горных пород

 

Коэффициент крепости пород	Угол падения руд и пород, α, град	Углы сдвижения, град
		β	γ	β1	δ
f < 5	Слоистое строение пород (осадочные)
	0–30 31–45 46–50 61–80 81–90	55–45 45–40 40 40–45 45–50	55 55 – – –	– – 40–45  50  50	55  55 55  55 55
f  > 5	0–30 31–45 46–50  61–80  81–90	60–50  50–45  45–40  40  40–50	60–70  60–70 – – –	–   46–50  60– 65 60	60–70  60–70  60–70  60–70  60–70
	Неслоистое строение пород
5 < f < 10	0–90	65	65	65	70
ш. Советская Северо–Енисейского рудника	–	50	–	60	75
Березовский рудник	25–90	80–65	80–65	80–65	80–65

 

Построение предохранительных целиков (рис. 1.5) производят следующим образом [2, 3]:

на плане поверхности вокруг охраняемого объекта через его угловые точки строят прямоугольник, стороны которого ориентированы вкрест и по простиранию рудного тела (А, Б, В, Г). Параллельно сторонам полученного прямоугольника строят предохранительную берму, внешний контур которой служит границей охраняемой площадки (А', Б', В', Г'). Ширина бермы объектов I, II, III категорий охраны принимается соответственно 20, 10 и 5 м;

 

 

 

Рис. 1.4. Типовые схемы построения зоны опасного сдвижения пород при отработке рудных тел крутого и полого падения

от внешней границы бермы проводят линии под углом сдвиженияφ до пересечения с нижней границей наносов. От точек пересечения проводят линии под углами сдвиженияβ, β₁, δ, γ до пересечения с контуром висячего и лежачего боков залежи, получая верхние и нижние границы предохранительного целика;

с разрезов на план проектируют точки границ целика. Соединив проекции точек прямыми линиями, получают размеры целика в плане.

Частичная отработка предохранительных целиков допускается при соблюдении следующих условий:

оставление барьерного целика толщиной 1,5 m ниже верхней границы предохранительного целика (рис. 1.5);

 

 

Рис. 1.5. Схема построения предохранительного целика: В – ширина предохранительной бермы

 

в случаях когда охраняемым объектом является ствол, пересекающий рудное тело, помимо барьерного целика оставляют рудный целик шириной, равной берме;

применение систем разработки, обеспечивающих устойчивое состояние массива.

 

7. Определить безопасные расстояния от рудного тела до полевых штреков.

Определение безопасного расстояния от рудного тела до полевого штрека, проходимого в лежачем или висячем боку рудного тела, производят следующим образом [1, 2]:

строят разрез вкрест простирания, на который наносят контур рудного тела и нижнюю границу предполагаемой отработки (рис. 1.6);

 

 

 

Рис.1.6. Схема к определению безопасного расстояния от рудного тела до полевого штрека в висячем боку и в лежачем боку

 

от нижней границы отработки проводят линию под углом разрыва (β₁'');

от горизонта проходки штрека на высоте h проводят горизонтальную линию, пересекающую линию разрыва (построенную под углом β₁'') в точке 1:

h = h _в + 2× а,                                             (1.4)

 

где h _в, а – соответственно высота и ширина штрека, м;

от точки 1 откладывают предохранительную берму (табл. 1.1) и строят точку 2;

полученную точку 2 проектируют на горизонт заложения штрека, что является границей его местоположения;

безопасное расстояние от рудного тела до полевого штрека l _в определяют графическим способом.          

 

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте понятие сдвижения горных пород.

2. Объясните характер сдвижения пород блочного строения.

3. Объясните характер сдвижения пород слоистого строения.

4. Поясните методы определения безопасного места положения охраняемых объектов.

5. Назовите мероприятия по защите охраняемых объектов от вредного воздействия сдвижения пород.

6. Постройте эскизно охранный целик под штольней.

 

 

Лабораторная работа 2