CC BY
16
© Д.В. Сидоров, 2013
УДК 622.831.32 Д.В. Сидоров
НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОДАТЛИВЫХ МЕЖДУКАМЕРНЫХ ЦЕЛИКОВ ПРИ КАМЕРНО-СТОЛБОВОЙ СИСТЕМЕ РАЗРАБОТКИ УДАРООПАСНЫХ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ
Приведена методика расчета ширины податливых междукамерных столбчатых и ленточных целиков с учетом изменения их механического состояния в результате саморазрушения, в том числе с учетом динамической пригрузки при подвижках пород кровли при камерно-столбовой системе разработки.
Ключевые слова: методика, ширина, междукамерный целик, камерно-столбовая система разработки, удароопасность, рудные месторождения.
Вопросам обоснования параметров междукамерных целиков (МКЦ) посвящено большое количество научных работ как в России, так и за рубежом. Значительный успех главным образом был достигнут в 60-70 гг. специалистами институтов ВНИМИ, Гипроцветмета, Унипромеди и др. в области разработки инженерных методов расчета устойчивых размеров междукамерных целиков. При этом в отличие от известных инженерных методов акад. Ё.Д. Шевякова, С.Г. Авершина, Г.Е. Гулевича, Б.А. Вольхина, В.И. Борщ-Компа-ниеца, А. Б. Макарова и др., предполагающих выполнять расчет ширины устойчивых МКЦ от влияния давления пород свода естественного равновесия и с учетом истинной прочности МКЦ, предлагаемые новые методические решения для условий больших глубин разработки учитывают возможность управления сводом посредством оставления податливых МКЦ с учетом их остаточной прочности. Переход МКЦ в запредельный режим деформирования на больших глубинах подтверждается данными шахтных наблюдений и результатами численной оценки устойчивости МКЦ при их различной прочности и коэффициентах формы.
Анализ результатов численной оценки напряженно-деформирован-ного состояния столбчатых МКЦ для глубин разработки, превышающих 800 м и различных размеров выработанных пространств в пределах очистных блоков показывает, что действующие в целиках вертикальные напряжения превосходят по величине предел их прочности, вызывая таким образом разрушение целиков. При этом, непосредственно в шахте МКЦ представляют собой либо усеченные пирамиды, соединенные меньшими основаниями в форме песочных часов, или разрушены в исходной форме с разделением на части трещинами, параллельными действию сжимающих нагрузок. Аналогичные результаты можно наблюдать при проведении испытаний образцов руд на прочность. Анализ результатов испытаний прочных и хрупких разновидностей руд, представленных в работах Ю.М. Карташова, М.Д. Ильинова, Б.В. Матвеева, Г.В. Михеева, А.Г. Протосени, А.Н. Ставрогина, Б.Г. Тарасова, В.Ё. Трушко, Г.Ё. Фисенко и др., позволяет заключить, что после разрушения образцы прочных хрупких руд
практически сразу переходят в режим остаточной прочности, как правило составляющей около 20-30 % от величины исходной прочности образца, и зависящей в основном от его формы. При этом учет остаточной прочности осуществляется на основе относительного коэффициента % , представляющего собой отношение остаточной прочности междукамерного целика к пределу прочности на одноосное сжатие. На основании данных лабораторных испытаний образцов руд с различными коэффициентами формы относительный коэффициент % принимается равным 0,24.
Суммарная нагрузка на столбчатые междукамерные целики с квадратной или близкой к ней формой поперечного сечения, с учетом их остаточной прочности, определяется:
п
Рум ^ \ ^пст , (1)
1+1
где <Упст1 - величина остаточного напряжения в конкретном МКЦ, МПа; ё 1 -ширина МКЦ, м; п - количество МКЦ в очистном пространстве, шт.
Значение нормального напряжения, действующего в МКЦ в режиме остаточных деформаций находится из выражения аост = хасж (ё/ш) , где асж -
предел прочности образца руды на одноосное сжатие, МПа. Линейная аппроксимация коэффициента формы МКЦ принята с учетом наихудшего с точки зрения прочности образца случая.
Необходимая остаточная несущая способность МКЦ определяется из условия равенства веса свода естественного равновесия подработанных пород, принимаемого в виде пирамиды давления и суммарной несущей способности МКЦ:
X О«.& = 3 а2А . (2)
1+1 3
где а - ширина выработанного пространства, м; у- удельный вес покрывающих пород, т/м3; Ь1 - высота свода естественного равновесия с учетом влияния МКЦ, м.
Зависимость для определения несущей способности одного междукамерного целика, то есть при п = 1, примет вид:
а ё2 = -(ё +1 )2ук . (3)
ост к' / 1 ч/
где 1к - ширина пролета кровли очистной камеры, м.
После преобразования формулы (3) относительно параметра ё , выражение для определения ширины стороны МКЦ с квадратным или близким к нему поперечным сечением, примет вид:
ё =
2 1 2 Л 1КА~3 - - (31к))
2 (31к )) - 1кА3
21к, (4)
где А = 3 ХС7сж — ; т - мощность рудной залежи, м. V у1\ ш
а)
ь. ш
---Г"-. - ""
3.00 ■ ^ - ^
БО а, и
б)
2.00
0.50 0.00
■ БКНМ - - ■ -БП
60 .1. |,|
Подход для определения ширины податливого ленточного МКЦ в целом аналогичен предыдущему. Вместе с тем, поскольку длина ленточного целика превышает его ширину в несколько раз и более, то определение допустимой ширины ленточного целика может быть основано на использовании решения плоской задачи, решая которую получим следующее выражение для определения ширины ленточного МКЦ
1+ У1 + 4 А1к
ё = -
(5)
(6)
2 А
I-Б КМ--БКНМ----БП I . . //1ч
1-1 где А = Ъхасж1 (г/т).
Рис. 1. Графические зависимости отношения пло- Высота свода естест
шади целика с учетом остаточной прочности к венного равновесия при
плошади упругого целика при различных размерах наличии в выработанном выработанного пространства и прочности руд
пространстве системы под-
(БКМ - Осж = 2§МПа , БКНМ - &сЖ =40МПа , держивающих междука-
БПасж = 80МПа ): а) отношение расчетных показате- мерных целиков может
лей, б) отношение расчетных и экспериментальных пока- быть определена из сле-зателей для условий ОАО «Севуралбокситруда» с учетом дующего выражения технологического ограничения по <1 tg(р )
1 0 ^(9>зо)
где /¡о - высота свода естественного равновесия при отсутствии в выработанном пространстве поддерживающих междукамерных целиков, / = (а/2)/§(р30), м; р30 - угол сдвижения от действия свода естественного равновесия при отсутствии в выработанном пространстве поддерживающих междукамерных целиков, р30 « 630 +640, град.; р3 - угол сдвижения подработанных пород от действия свода естественного равновесия при наличии в выработанном пространстве поддерживающих междукамерных целиков,
Рз = Рз.шах + ртах -РзоХв -2Р), град.; р^- величина максимально возможного угла сдвижения, р3тах « 700 + 720, град.
Коэффициент в, учитывающий условие взаимодействия междукамерного целика с вмещающими породами, определяется из выражения:
в = 0,5
( °Д7°сж )__Е__
2(ОО82« + А18т2а)?Н 0,05Е а\/Ь
-ш
(7)
где а - угол падения рудной залежи, град; Лт - тектоническая составляющая, равная отношению горизонтальных напряжений аг к вертикальным ав напряжениям нетронутого массива; Еп - модуль упругости вмещающих пород, МПа; Е - модуль упругости МКЦ, МПа; Н - глубина горных работ, м; Ь - размер выработанного пространства по простиранию рудной залежи, м.
Для оценки степени влияния остаточной прочности на допустимую величину грузонесущей площади поперечного сечения МКЦ на рис. 1, а приведены графические зависимости отношения площади податливого целика, рассчитанного с учетом остаточной прочности к площади упругого несущего целика при различных размерах выработанного пространства и прочностных характеристиках руд. На рис. 1, б приведены аналогичные графические зависимости, но с учетом технологических требований, регламентирующих оставление МКЦ шириной не мене 3,0 м.
Анализ полученных результатов показывает, что не учет запредельного режима деформирования МКЦ на остаточной прочности приводит к существенному, более чем в 1,5-3 раза, занижению грузонесущей площади поперечного сечения междукамерных целиков. В месте с тем, на участках прочных разновидностей руд, ситуацию улучшают технологические ограничения по минимальному размеру МКЦ.
Достоверность методических рекомендаций по определению допустимых размеров столбчатых и ленточных междукамерных целиков, подтверждается положительными результатами опытно-промышленных испытаний, проведенных при отработке сложных и удароопасных участков шахтных полей: блока 10с гор. -680 м (глубина 880 м), блока 13ю гор. -680 м (глубина 880 м), блоков 9-10ю гор. -680 м (глубина 880 м) шх «Кальинская», блоков 2-5с гор. -620 м (глубина 820 м), блоков 2-5с гор. -570 м (глубина 770 м) шх. № 14-14бис (участок «Южная Калья»), блоков 22-23с гор. -740 м (глубина 940 м), блоков 1-2с, 2с-6ис гор. -680 м (глубина 880 м), блоков 17-18с гор. -680 м шх. № 14-14бис ОАО «Севуралбокситруда». Проведенные обследования в очистных блоках с высоким уровнем сейсмической активности с применением предлагаемых параметров КССР не выявили ни одного случая разрушения кровли и целиков, гдттт^
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Сидоров Дмитрий Владимирович - кандидат технических наук, доцент, sidorov@spmi.ru, кафедра разработки месторождений полезных ископаемых, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
А
