CC BY
18
© Д.В. Сидоров, 2013
УДК 622.831.32 Д.В. Сидоров
НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ НЕСУЩИХ БАРЬЕРНЫХ ЦЕЛИКОВ ПРИ КАМЕРНО-СТОЛБОВОЙ СИСТЕМЕ РАЗРАБОТКИ УДАРООПАСНЫХ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ
Приведена методика расчета ширины несущих барьерных целиков при камерно-столбовой системе разработки с учетом теории предельного равновесия и специфики проявления удароопасности.
Ключевые слова: методика, ширина, барьерный целик, камерно-столбовая система разработки, удароопасность, рудные месторождения.
Анализ практического опыта применения камерно-столбовой системы разработки (КССР) на больших глубинах и в условиях динамического проявления горного давления показывает, что эта система без применения специальных мер имеет повышенную опасность. В горной практике для управления удароопасностью рудной залежи широко применяется оставление в очистном пространстве системы барьерных целиков, требующих научно-обоснованного выбора их допустимых параметров. Расчет барьерных целиков базируется на теории предельного равновесия, разработанной В.В. Соколовским, усовершенствованной К.В. Руппенейтом и Г.Л. Фисенко и реализованной И.М. Петуховым и A.M. Линьковым применительно к проблематике горных ударов. Позднее положения теории предельного равновесия были развиты В.Г. Селивоником при обосновании различных вариантов двухъярусной КССР. Неточности при расчете барьерных целиков были связаны с определением их ширины из упрощения, что прочность руды в целике на расстоянии действия максимальных напряжений не изменяется и составляет 1,4 предела прочности, тем самым приводя к занижению необходимой ширины целиков на 30-50%, снижению несущей способности и росту их удароопасности. Для решения данной проблемы ниже предлагается метод определения ширины барьерных целиков с учетом действия максимальных касательных напряжений на контакте между целиками и вмещающими породами в зависимости от прочностных характеристик руд, а также с учетом глубины горных работ, размеров смежных с целиками выработанных пространств, размеров очистных пространств по простиранию рудной залежи, мощности рудной залежи, коэффициента запаса, предела прочности на одноосное сжатие руды, угла внутреннего трения руды, угла падения рудной залежи, удельного веса вмещающих пород, величины тектонической составляющей.
Исходя из схемы нагружения (рис. 1), полная нагрузка Ps на единицу его длины будет складываться из следующего веса:
Рис. 1. Схема нагружения барьерного целика
Р8 = Р + Р2 + Рц , (1)
где Р1 - вес пород, приходящийся на барьерный целик со стороны выработанного пространства - а1, т; Р2 - вес пород, приходящийся на барьерный целик со стороны выработанного пространства - а2, т; Рц - вес породного столба,
находящегося непосредственно над барьерным целиком, т.
С учетом преобразований, выражение (1) можно представить в следующем виде:
Ps =
cos a
^rsin2a)
f
i1<Jb~
a24b
\
Y + ly,
(2)
Ky/a1 + b a2 + b /
где a - угол падения рудной залежи, град; Лт - тектоническая составляющая, равная отношению горизонтальных напряжений от к вертикальным ств напряжениям нетронутого массива; ax - размер выработанного пространства по восстанию, м; a2 - размер выработанного пространства по падению, м; b -размер выработанного пространства по простиранию рудной залежи, м; Ьц -ширина барьерного целика, м; у - удельный вес покрывающих пород, т/м3; Н - глубина горных работ, м.
В тоже время, как видно из схемы на рис. 1, нагрузка Ps на единицу длины барьерного целика определяется весом пород заключенных в фигуре ABDB'A'. Тогда, Ps определяется из следующего выражения:
Ps = SA, ABC + SA, A'B'C' + SA, CBB'C'. (3)
Из рассмотрения схемы, представленной на рис. 1, следует:
1 —i
2
= S,
'A, ABC " JA, A'B'C' = о (°'5Ьпр)cmax
(4)
SA, CBB'C' = LnP) '—max' (5)
где -max - максимальное напряжение, действующее в барьерном целике, МПа;
Lnp - ширина предельно-напряженного целика, м.
С учетом (4) и (5), выражение (3) примет вид: Ps = (LЦ - 0,5LПР)- . (6)
s v Ц ' np / max v '
Величину максимального напряжения рекомендуется определять из решения Прандтля с учетом действия средних касательных напряжений на контакте между целиком и вмещающими породами в интервале [0, -max] из следующего
выражения:
-max = 0,5(Т + 0,чж)Lпр/m , (7)
где т - значение касательных напряжений, снимаемое с паспорта контактной
прочности Мора при вертикальном напряжении, равном — , МПа; m -
max
мощность рудной залежи на участке барьерного целика, м.
Принимая уравнение паспорта контактной прочности Мора в виде отрезка наклонной прямой т = 0,5- + tg(p)— (где: — - предел прочности ру-
сж max сж
ды на одноосное сжатие, МПа; р - угол внутреннего трения руды, град.), подставляя его в выражение (7), а затем (7) в (6), а также вводя дополнительное соотношение Lnp = 2L^(kЗ + 1) (где kЗ - коэффициент запаса барьерного
целика), получим следующее выражение для определения нагрузки на барьерный целик:
Ps = -—--—-°сж (8)
kЗ + 1 m3 (кЗ + 1) - tg(p)Lц
Приравнивая правые части (2) и (8), и решая квадратное уравнение, получим окончательное выражение для определения допустимой ширины барьерного целика:
т = - B + Vb2 + 4AC
4 = 2A , (9)
где А = + tg(p); в = F tg(p) - mз ^ + 1); C = Fmз (kз + 1)
Ц + 1 y З З
F =
-1- (cos2« + ^j-sin2«)
a, a,,
у]а1 + Ь ^а2 + Ь
Для исключения проявления удароопасности коэффициент запаса барьерного целика необходимо принимать в соответствии с рекомендациями справочного пособия «Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов»* в котором
* Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов / И.М. Петухов, А.М. Линьков, В.С. Сидоров и др. М.: Недра, 1992.
отмечается, что. наибольшую опасность, с точки зрения удароопасности, представляют барьерные целики с предельными размерами, находящихся в интервале [ 0,5Lш ; 1,25Lnp ]. Анализ данного интервала показывает, что практический интерес будет представлять верхняя граница удароопасности LЦ f 1,25Lnp. Принимая отношение L^Ln = 1,25 получим значение допустимого с точки зрения безопасности и несущей способности коэффициента запаса барьерного целика, равного k3 = 1,5.
При апробации методики, главным образом были исследованы закономерности изменения ширины барьерного целика от глубины разработки, размеров смежных с ним выработанных пространств, мощности и прочности рудной залежи. Анализ полученных результатов показал, что основное влияние на ширину барьерного целика, главным образом оказывают мощность и прочность рудной залежи в месте расположения целика. На основании результатов многовариантного исследования была получена количественная зависимость коэффициента формы барьерного целика от его прочности, позволяющая оперативно определять допустимую ширину барьерного целика в конкретных условиях. При этом оптимальным по несущей способности и исключению в нем горных ударов на глубинах, превышающих 800 м будет являться барьерный целик с коэффициентом формы 3,0-3,5 (рис. 2).
Достоверность научно-методических рекомендаций по определению допустимой ширины барьерных целиков подтверждается положительными результатами опытно-промышленных испытаний, проведенных при отработке сложных и удароопас-ных участков шахтных полей Североуральских бокситовых месторождений: блока 9ю гор. -680 м (глубина 880 м) и южного фланга блока 13 ю гор. -680 м шх. «Кальинская», «Восточной залежи» месторождения «Красная Шапочка» шх. 14-14бис на глубинах 700 + 900 м, блоков 1й-2й сев. гор. -680 м (глубина 880 м) шх. 14-14 бис, блоков 17-18с гор. -740 м (глубина 940 м) шх. 14-14 бис, блоков 22-23с гор. -740 м (глубина 940 м) шх. 14-14бис ОАО «Севурал-боскитруда». гттез
Рис. 2. График зависимости коэффициента формы барьерного целика от его прочности
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Сидоров Дмитрий Владимирович - кандидат технических наук, доцент, [email protected], кафедра разработки месторождений полезных ископаемых, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
