Характер деформирования водозащитного слоя под влиянием открытых и подземных горных работ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 551.491.7 Н.А. Милетенко

ХАРАКТЕР ДЕФОРМИРОВАНИЯ ВОДОЗАЩИТНОГО СДОЯ ПОД ВДИЯНИЕМ ОТКРЫТЫХ И ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РАБОТ*

Семинар № 2

Проблема развития технологий разработки подкарьер-ных запасов для эффективного замещения выбывающих мощностей карьеров подземными горными работами приобретает важное научное и практическое значение и входит в число приоритетных направлений исследований по освоению и сбережению недр. Так, на современном этапе освоения месторождений кимберлито-вых трубок Якутии открытые горные работы приблизились к своим предельным контурам, а некоторые уже достигли их (добыча комбинированным способом уже ведется на трубке «Интернациональная» и готовится проект для подземной отработки трубки «Удачная»),

Для решения этой проблемы необходимо обосновать и выбрать такие параметры горных работ, способы управления горным давлением, порядок ведения работ, размеры потолочины между карьером и подземными выработками, при которых деформационные процессы будут развиваться в заданных направлениях и допустимых пространственно-временных пределах.

При переходе с открытых работ на подземные возникает необходимость обеспечения безопасности горных

работ в подземном пространстве и сохранности водозащитного слоя, отделяющего подземные горные выработки от многометровой толщи паводковых, ливневых вод, рассолов, а также обрушающихся с бортов оползневых масс, скопившихся на дне карьера. Решение этих вопросов связано с фильтрационными свойствами массива горных пород, поэтому возникает необходимость рассмотрения механизма деформирования водоупорного слоя, на устойчивое состояние которого могут оказывать влияние как физико-механические свойства слагающих его пород, так и порядок ведения горных работ, вынимаемая мощность слоя залежи, скорость подвигания забоя и другие условия.

Согласно современным представлениям о механизме деформирования слоистого массива горных пород [1] образование и развитие трещин в прогибающемся слое происходит по следующей схеме. В результате прогиба водоупорного слоя в нем появляются растягивающие напряжения, при этом местоположение их максимальных значений совпадает с местоположением точек, имеющих максимальную кривизну. По мере увеличения пролета выработки растет прогиб слоя и одновременно происходит перемещение точек с максимальной

*Работа выполнена при поддержке Фонда содействия отечественной науке 132

1-е положение забоя 2-е положение забоя

Рис. 1. Схема образования сквозных трещин при знакопеременных деформациях:

— • — • — - положение слоя при первичном прогибе;

— — — — - положение слоя при развитии горных работ;

1, 2, 3 - трещины, образованные при первичном прогибе слоя (частично закрывшиеся);

4, 5, 6 - трещины образованные при развитии горных работ (открытые)

ремещение точек с максимальной кривизной и растягивающими напряжениями. При определенной величине пролета растягивающие напряжения достигают предела прочности на разрыв и на верхней и нижней поверхностях слоя начинают появляться поперечные трещины. Дальнейшее увеличение пролета ведет к росту растягивающих напряжений, развитию существующих и появлению новых трещин. Но поскольку одновременно меняется местоположение точек с максимальной кривизной, меняется и местоположение трещин, образуются новые и частично закрываются старые трещины (рис. 1.).

При этом суммарная глубина трещины равна сумме глубин трещин, идущих от верхней и нижней поверхностей слоя. Если глубина каждой из слагаемых трещин будет больше половины толщины слоя, то последний бу-

дет рассечен на всю толщину, хотя трещина в верхней половине слоя будет к этому времени частично закрыта, сплошность его будет полностью нарушена, поскольку сжатие слоя не восстанавливает его целостности.

В связи с ведением добычных работ комбинированным способом представляется необходимым проанализировать характер деформирования водозащитного слоя, отделяющего открытые и подземные горные работы. В результате исследований было установлено, что при ведении открытых горных работ происходит снятие напряжений с надработанного массива пород, вследствие чего происходит изгиб водоупорного слоя в сторону выработанного пространства, т.е в сторону карьера (рис. 2, а).

В результате прогиба слоя в нем появляются растягивающие напряжения, при этом местоположение их

Подземное пространство

Деформации водозащитного слоя под влиянием открытых и подземных горных работ ------ исходное положение слоя

Рис. 2. Динамика изменения состояния водозащитного слоя

максимальных значений совпадает с местоположением точек, имеющих максимальную кривизну. При определенной величине прогиба растягивающие напряжения достигают предела прочности породы на разрыв, и на верхней и нижней поверхностях слоя начинают проявляться поперечные трещины, глубина которых зависит от величины прогиба и размеров прогибающейся части слоя.

В дальнейшем под влиянием подземных горных работ происходит изменение напряженно-деформированного состояния подработанной толщи. По мере увеличения размеров горной выработки происходит прогиб и смещение подработанных слоев пород в сторону выработанного про-134

странства и водоупорный слой подвергается деформациям изгиба подобно плите, защемленной по концам, испытывая при этом знакопеременные деформации.

Одновременно на верхней и нижней поверхностях слоя начинает меняться знак деформаций, т.е. положительная кривизна (выпуклость) меняется на отрицательную кривизну (вогнутость) и сжимающие напряжения меняются на растягивающие (рис. 2, б). Отсюда суммарная губина трещин на участках знакопеременных деформаций будет равна сумме глубин трещин, идущих от верхней и нижней поверхностей слоя. Т.е. процесс образования системы трещин в подкарьерном целике при открыто-

подземном способе разработки аналогичен процессу трещинообразова-ния водоупорного слоя в массиве горных пород с той лишь разницей, что размеры подкарьерного целика, выполняющего роль экрана, находятся в строго заданных пределах, обусловленных технологией формирования карьерного дна.

Разность геологической мощности слоя и суммы глубин трещин, идущих от нижней и верхней поверхности слоя, образованных под влиянием открыто-подземного способа разработ-

1. Попов В.Н., Иофис М.А., Орлов Г.В., Левкин Ю.М. Оценка и прогноз геомехани-ческого состояния подработанного слоистого массива горных пород. Материалы 4 Международной конференции маркшейдеров. Польша, 1997. - С. - 155-162.

ки, позволит определить защитную мощность водоупорного пласта [2], и в зависимости от полученных результатов произвести, при необходимости, корректировку параметров разработки полезных ископаемых.

Положенный в основу расчета механизм деформирования водозащитного слоя способствует решению ряда геомеханических задач по обеспечению безопасного и рационального ведения горных работ при комбинированном способе добычи полезных ископаемых.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Милетенко Н.А. Особенности развития деформационных процессов в слоистой среде. Научно-техническое обеспечение горного производства. - Алматы, 2004. -С.-131-132.

— Коротко об авторах -

Милетенко Н.А. - ИПКОН РАН.

А