Расчет междукамерных целиков

Для маломощных и средней мощности залежей при расположении камер по простиранию может использоваться методика ВНИМИ, базирующаяся га гипотезе Турнера-Шевякова.

Методика ВНИМИ учитывает ослабляющее влияние проведенных в целиках выработок и предусматривает два случая: центральное расположение блокового восстающего в целике (рис.а) и фланговое расположение (рис.б).

1. Определяют ширину «ножек» целика, остающихся после проходки в нем блокового восстающего и горизонтальных ходков (если последние имеются, как например, при применении систем разработки с отбойкой из магазина и с подэтажной отбойкой), т.е. ширину изолированных опорных прямоугольных целиков, расположенных длинной стороной по восстанию.

2. Определяют ширину междукамерного целика с учетом его высоты вкрест простирания; при этом расчет ведут как для сплошного ленточного целика, а влияние восстающего и ходков учитывают так называемым коэффициентом пригрузки.

При центральном расположении восстающего, расчет ведется в следующем порядке.

Рис. Расчетная схема к определению размеров междукамерных целиков по методике ВНИМИ.

Ширину «ножек» целика, м

где

где - коэффициент запаса прочности, ;

- расстояние по вертикали между ходками, м;

- ширина ходка, м;

- коэффициент структурного ослабления массива, который можно рассчитать по формуле , где расстояние между трещинами, м;

– коэффициент, учитывающий время стояния целика, ;

- высота ходка, м;

- ширина восстающего, м;

- длина камеры по простиранию, м.

Если вместо длины камеры задана длина блока L, то

Общая ширина целика

Коэффициент пригрузки

Общую ширину целика с учетом его размера (высоты) вкрест простирания (или, что, в данном случае, то же пролета камеры А) определяют, если , аналогично ширине ленточного целика графоаналитическим способом, м:

(2.33)

где

На графике в координатах , строят кривую 1 функции при заданной величине для трех-четырех значений . затем для полученных трех-четырех значений строят кривую 2 функции , используя выражение (2.33). Точка пересечения кривых дает искомую величину

При ,

Если вместо длины камеры задана длина блока L, то при

а при

Из двух величин определенных по кривым 1 и 2, принимают большую.

При фланговом расположении восстающего расчет ведется следующим образом:

1. Ширина рабочей «ножки» целика определяется по формуле:

где - ширина ограждающего целика около восстающего, м.

Если задана длина блока L, то

Общая ширина целика получается следующим образом:

2. Коэффициент пригрузки (из расчета того, что ограждающий целик не является несущим):

Дальнейшие расчеты по определению ведут по формулам (2.33.-2.36) аналогично расчетам размеров целиков при центральном расположении восстающих.

Из двух определенных значений принимают большее.

При мелкошпуровой отбойке руды в камерах к рассчитанной общей ширине целиков добавляют по 0,3 м с каждой стороны.

При отбойке скважинами ширину целиков увеличивают с каждой стороны на 0,5-0,8 м.

Если целик оконтуривают с одной стороны мелкошпуровой, а с другой – скважинной отбойкой, то расчетную ширину целика увеличивают на 0,8-1,1 м.

Для условий мощных залежей с углом падения рудного тела менее 70̊ применяется методика С.Г. Борисенко в двух случаях:

а) для залежей большой длины, когда отрабатывают подряд большое число камер без их закладки или обрушения.

б) для залежей малой длины при ограниченном числе открытых камер, либо в случае, если вслед за выемкой с некоторым отставанием камеры закладывают.

В обоих случаях длину камер полагают известной.

Для залежей большой длины целики рассчитывают на давление, возникающее в них вследствие сдвижения призмы сползания пород висячего бока в сторону открытой камеры. (рис)

Рис. Расчетная схема к определению размеров междукамерных целиков по методике С.Г. Борисенко

Ширина целика по простиранию определяется по формуле:

где - удельная нагрузка от веса пород висячего бока в пределах призмы сползания на единицу ширины целика, кН/м;

- длина камеры по простиранию, м;

- угол сдвижения пород висячего бока, град;

- угол падения рудного тела, град;

- угол внутреннего трения пород, ;

- вертикальная высота этажа. м;

- коэффициент запаса прочности,

Угол внутреннего трения пород можно более точно установить с учетом физико-механических свойств пород по формуле:

где - коэффициент крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова.

Величину можно определить графоаналитическим методом, зная рельеф поверхности, глубину заложения камеры H и углы и .

Приближенно

Условие применимости метода расчета целиков:

где – давление обрушенных пород на единицу площади части залежи, поддерживаемой одним целиком, МПа;

- мощность залежи, м;

– удельный вес обрушенных пород, кН/м³.

Для залежей малой длины метод расчета применим лишь при сдвижении подрабатываемой толщи пород до поверхности, т.е. при глубины ведения работ не более

Где - длина месторождения (или незакладываемого участка) по простиранию, м;

- коэффициент бокового распора.

Ширина целика:

где

Для целиков в залежах мощностью 15-60 м с углом падения 45-90̊ при крепости более 10 и расположении камер вкрест простирания применима методика А.А. Иливицкого. Рассчитывают давление от веса столба налегающих пород на единицу площади блока. Высота этого столба обычно не превышает 3,5-4 значений горизонтальной мощности залежи.

Прочная ширина целика определяется из условия:

где - высота камеры (целика), м;

- удельный вес материала целика, кН/м³;

- пролет камеры по простиранию, м.

Если угол падения залежи значительно меньше 90 , то кроме вертикального давления учитывают также боковое (рис.). Условие прочности целика при этом следующее:

2.51

где

где – горизонтальная мощность залежи, м.

Рис. Расчетная схема к определению размеров междукамерного целика по методике А.А. Иливицкого

По условию вертикального давления прочность определяется по условию:

2.52

где

Принимают больший из определенных по формулам 2.51-2.52 размер целика, которых проверяют на динамическую устойчивость под воздействием взрывных работ по условию Ф.А. Барсукова:

или

где - диаметр зарядов, м;

- линия наименьшего сопротивления, м.

Потолочины камеры

Надежных методов расчета потолочин камер не существует. По рекомендациям М.И. Агошкова, отношение высоты горизонтальной потолочины к пролету камеры , если камеры расположены по простиранию, принимаются равными:

0,2-0,3 – в благоприятных условиях разработки, в очень устойчивых рудах;

0,3-0,5 – для средних условий, при устойчивых рудах и породах, имеющих местные ослабления;

0,5-0,7 – в неблагоприятных условиях разработки.

Толщину горизонтальной потолочины при камерах, расположенных вкрест простирания, можно определять по методике А.А. Иливицкого, а наклонной – по методике В.Ф. Лавриненко и В.И. Лысака с последующим уточнением в производственных условиях.

При окончательном определении размер потолочины умножают на повышающий коэффициент, учитывающий время стояния целика.

значение коэффициента структурного ослабления kс	значение коэффициента учитывающего время стояния целика, с учетом срока стояния
	до 2 лет	от 2 до 5 лет	более 5 лет
	1	1,25	1,43
	1	1,43	2

При расположении камер вкрест простирания, мощности залежи 15-60 м, угле падения 45-90̊ коэффициенте крепости руд более 8-10 высоту h потолочины можно определить по методике А.А. Иливицкого:

где и - соответственно удельный вес материала целика и породы (закладки), заполнившей вышележащую камеру, кН/м³;

– коэффициент запаса прочности (при применении системы разработки горизонтальными слоями с закладкой , с подэтажной отбойкой и отбойкой из магазина , этажно-камерной ).

Для определения толщины наклонной потолочины при применении камерной системы разработки рекомендуется следующая методика:

Угол наклона оси потолочины к горизонту, обеспечивающий ее работу в наиболее благоприятном режиме – режиме стояния (рис.), определяем по формуле:

Где -удельный вес налегающих пород, кН/м³;

- глубина разработки, м;

- коэффициент бокового распора , где - коэффициент Пуассона;

- предел прочности руды на сжатие, МПа.

Рис. Расчетная схема к определению толщины наклонной потолочины

Толщину потолочины в плоскости, параллельной контактам залежи, можно определить аналогично поперечному размеру ленточного целика по формуле

Где - высота этажа, м;

где ,

Проверку устойчивости пород висячего бока камеры производят, исходя из условия, чтобы фактические тангенциальные напряжения в них не превышали трети предельно допустимых, которые примерно в 14 раз меньше прочности пород висячего бока на сжатие. Таким образом, условие устойчивости пород висячего бока камеры:

Дополнительные специальные мероприятия повышения устойчивости обнажений выработок

Крепление горных выработок должно производиться с учетом комплекса дополнительных специальных мероприятий, направленных на повышение устойчивости породных обнажений. Комплекс мероприятий может быть подразделен на четыре группы.

Первая группа. Использование благоприятных горно-геологических и горнотехнических условий.

Способ расположения выработок в крепких породах. Применяется при наличии участков коренных и измененных пород, например, метасоматитов.

Способ выбора безопасного расстояния между параллельными выработками. Это мероприятие позволяет предотвратить вторичные смещения пород вокруг выработок. Наиболее целесообразно проходить их одновременно.

Способ выбора безопасного расстояния от границ целиков. Позволяет избежать повышенных напряжений, возникающих в зонах опорного давления.

Способ изменения направления выработки относительно напластования или основных систем трещин. Позволяет в значительной степени сократить вывалы и обрушения, обусловленные трещиноватостью. Наиболее целесообразно проходить выработку под углом к простиранию напластования равным 60 - 90⁰.

Вторая группа. Увеличение несущей способности вмещающего выработку породного массива.

Способ тампонажа массива пород цементными или другими растворами. Предназначен для повышения механических характеристик пород.

Способ контурного взрывания. Применяется для исключения деформирования массива вмещающих пород при производстве технологических взрывов.

Третья группа. Разгрузка породного массива. Эта группа способов направлена на снижение действующих напряжений.

Способ проведения выработки увеличенным сечением. Применяют для исключения повышенных деформаций контура выработки. При этом первоначально проводят передовую выработку, а после образования зоны неупругих деформаций передовую выработку расширяют до проектных размеров и возводят постоянную крепь.

Способ взрывощелевой разгрузки породного массива предназначен для предупреждения пучения пород почвы в горизонтальных и наклонных выработках. Сущность способа состоит в искусственном создании в законтурном породном массиве податливых полостей, образуемых взрыванием серии шпуров одновременно с забойными шпурами при проведении выработки.

Четвертая группа. Комбинированные способы. Эти способы представляют собой сочетание различных, обычно двух, способов. Например:

Способ активной разгрузки и последующее укрепление массива цементацией. Рекомендуется для предотвращения пучения почвы выработки.

Способ взрывоукрепления. Предусматривает одновременность выполнения работ по разгрузке и укреплению массива. Сущность способа заключается в бурении шпуров, заполнении их ампулами с укрепляющим раствором и зарядами взрывчатого вещества. Дополнительные специальные мероприятия позволяют обеспечить безопасные условия эксплуатации выработки и сократить стоимость ремонта.

Допустимое время обнажения горного массива и отставание постоянной крепи от забоя представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2.

Допустимое отставание крепи от забоя

Класс горного массива	Степень устойчивости	Общая характеристика состояния пород	Допустимое время обнажения пород	Допустимое отставание крепи, м
				Набрызг -бетонной	штанговой
I	Весьма устойчивые	Вывалы отсутствуют	неограниченное	-	-
II	устойчивые	Возможны отдельные незначительные отслоения	До 6 мес	30	15
III	Средней устойчивости	Возможны вывалы из кровли выработки	10-15 сут.	15	7
IV	Слабой устойчивости	Возможны вывалы из кровли и боков выработки вскоре после обнажения пород	Не более суток	5	0,7
V	неустойчивые	Обрушение пород вслед за обнажением	Крепление вслед за обнажением	-	-

Согласно "Временным правилам…" условие устойчивого состояния земной поверхности имеет вид:

где – фактическая глубина верхней границы выработанного пространства, м;

– коэффициент, учитывающий прочностные свойства горных пород, определяемый в зависимости от коэффициента крепости пород f по таблице 3;

– эквивалентный пролет, вычисляемый по формуле

где – размер выработанного пространства по простиранию, м;

– размер горизонтальной проекции выработанного пространства залежи на разрезе вкрест простирания, м.

Таблица

Значения коэффициента К₁ в зависимости от крепости пород

коэффициент крепости пород f	коэффициент К1	коэффициент крепости пород f	коэффициент К1
4	9,0	9	5,2
5	6,8	10	2,8
6	5,3	12	2,2
7	4,4	14	1,8
8	3,7	16	1,5

Если , принимается , а если , то .

При соотношении величина рассчитывается и из нескольких значений принимается меньшее.

Условие, при котором выход воронки на поверхность исключается следующее:

где - глубина верхней границы пустот от границы выветренных пород и рыхлых отложений, м;

- площадь выработки на разрезе вкрест простирания, м²;

– угол падения разрывного нарушения, град;

– нормальная мощность разрывного нарушения вместе с зоной дробления и рассланцевания, м.

При расположении рудных тел вблизи швов разломов и «незалеченных» пород пустоты закладывают на всю высоту. Последовательность отработки сближенных по вертикали рудных тел должна быть такой, чтобы при этом не увеличивались предельные параметры опасного влияния выработок. Устойчивость породного слоя между выработками определяется соотношением расстояния глубины заложения и высоты свода естественного равновесия h_с (рис.):

при - отработка и погашение обоих рудных тел не ослабляет устойчивости массива;

при - погашение нижнего рудного тела оказывает влияние на устойчивость массива, поэтому нижнее рудного отрабатывается и погашается с опережением.

Рис. Условие сохранности земной поверхности:

а – схема; б – для залежи с углом падения 85-90 ; в – то же, для угла падения 80-85 ; г – то же, для угла падения до 80

При расчетах соотношения и вводят коэффициент запаса устойчивости плоского обнажения . Безопасные условия независимой отработки: и .

По условиям сохранения пят свода естественного равновесия и связанной с этим устойчивостью верхней выработки пролетами и должно быть соотношение .

По условиям сейсмической безопасности устойчивость массива обеспечивается для заряда ВВ 0,1 т при минимальной Н=15м. в других случаях расстояния определяются расчетом.

Сдвижения и деформации происходят без воронок и провалов, если:

где - площадь выработанного пространства в плане, м³;

- объем выработанного пространства, м³.

Сдвижение в форме обрушения пород возможно с высотой свода обрушения

где - мощность рудного тела, м;

- коэффициент разрыхления пород с учетом прочности на одноосное сжатие ( =1,26 при =100МПа).

Величина деформаций земной поверхности зависит от извлекаемой мощности рудного тела (а при отработке системой с закладкой выработанного пространства – от эффективной мощности – m_э) и по мере удаления от выработанного пространства может уменьшиться до размеров, не превышающих допустимые для подрабатываемых объектов. Согласно "Временным правилам…" [ 19 ] для условий полной подработки, то есть максимальная безопасная глубина определяется по формуле:

где – коэффициент безопасности (для II категории охраны К_б = 100);

- эффективная мощность, определяемая по формуле:

где – нормальная вынимаемая мощность залежи, м;

– средняя величина сближения кровли с почвой очистной выработки (конвергенция) до возведения закладки, м; принимаем h_к = 0;

– средняя неполнота закладки (среднее расстояние от верха закладочного массива до кровли выработки), м, принимаем h_н = 1 м;

– коэффициент усадки закладки под давлением; принимаем В = 0,05.

Принимая среднюю мощность рудного тела № 7 равной m = 20 м, получим m_э = (0 + 1)(1 - 0,05) + 0,05*20 = 2 м и максимальную безопасную глубину Н_б = К_б m_э = 100*2 = 200 м, которая меньше Н_ф = 550 м. Следовательно, отработка рудного тела № 7 системами с закладкой выработанного пространства в условиях повторной подработки не вызовет опасных деформаций земной поверхности, в том числе на промплощадке ЮВС и в районе других объектов.

В соответствии с "Правилами охраны сооружений…" [ 20 ], в которых расчетная формула содержит оба основные параметра: эквивалентный пролет и эффективную мощность, процесс сдвижения может не достигнуть земной поверхности или его проявления не будут опасными для подрабатываемых объектов, если выполняется условие:

где: – коэффициент, учитывающий строение, крепость и трещиноватость пород (для объектов II категории охраны К = 4,5);

При тех же параметрах m_э = 2 м и L_экв = 195 м получим Н_р = К (m_э L_экв)^0,5= 89 м, что значительно меньше Н_ф = 550 м. Следовательно, опасных деформаций земной поверхности не ожидается, в том числе в районе шоссейной дороги, ЛЭП.

Согласно "Временным правилам…" [ 19 ] границы области опасных сдвижений в толще пород при разработке слепых рудных залежей ограниченных размеров строят относительно границ выработанного пространства по угловым и линейным параметрам. Для залежей с неслоистыми горизонтально залегающими вмещающими породами при f = 6 -10 по таблице 8 находим β_ос = γ_ос = δ_ос = 85˚. Линейным параметром является высота области опасных сдвижений h_ос .

Определим влияние очистных выработок рудного тела №7 на расположенную выше его (по вертикали – 200 м) южную часть рудного тела 5-а. Для этого вычислим h_ос по формулам, приведенным выше:

по формуле (2.7) Н_б = К_б m_э при m_э = 2 м, К_б = 50 (для III категории охраны) получим: h_ос = Н_б = 100 м;

по формуле (2.9) Н_р = К (m_э L_экв)^0,5 при m_э = 2 м, L_экв = 195 м, К = 3 (для объектов III категории охраны) получим: h_ос = 60 м.

Построив по найденным угловым и линейным параметрам область опасных сдвижений с максимальной h_ос = 100 м на разрезе 20, видим (рис. 2.1), что рудное тело 5-а находится за пределами сдвижений, опасных для подготовительных и нарезных выработок, которые относят к III категории охраны.

Следует заметить, что на состояние рудного тела 5-а может влиять отработка не всего рудного тела № 7, а только той части, которая ограничена на рис.2.2 пунктирной линией. Эта область построена на плане на расстоянии L = ctg85 *Н + 5 = 0,087*200 + 5 = 23 м от контура рудного тела 5-а (где 85˚ – угол сдвижения пород в массиве, Н = 200 м – расстояние от рудного тела 7 до рудного тела 5-а по вертикали, 5 м - берма). Как видим, в этой области мощность рудного тела 7 не превышает 16 м, то есть меньше средней 20 м, принятой для расчетов. Поэтому, вычислив значение m_э по формуле (2.8) при m = 16 м, получим m_э = 1,75 м и безопасную глубину для объектов II категории охраны (при К_б = 100) Н_б = К_б m_э = 175 м, что меньше фактического расстояния от рудного тела 7 до рудного тела 5-а.