Управление геомеханическими процессами при проведении очистных выработок в магматических породах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Управление геомеханическими процессами при проведении очистных выработок в магматических породах

МАГМАТИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ (а. magmatic rocks, volcanic rocks; н. magmatische Gesteine; ф. roches magmatiques; и. rocas magmaticas) -- минеральные ассоциации, образовавшиеся в результате кристаллизации или затвердевания магмы. Магма затвердевает как на глубине, внутри земной коры, так и на поверхности после излияния. В зависимости от этого магматические горные породы делят на два главных класса: интрузивные горные породы и эффузивные горные породы. Первые обладают полнокристаллической структурой и чаще всего массивной текстурой, вторые -- стекловатой и сравнительно редко полнокристаллической структурой (последняя, чаще всего, наблюдается в центральных частях покровов). Текстура излившихся пород часто флюидальная (со следами течения) и миндалекаменная, но иногда наблюдаются и другие текстуры. По содержанию кремнезёма магматические горные породы делятся на четыре группы: кислые (SiO₂ 64-78%), средние (SiO₂ 53-64%), основные (SiO₂ 44-53%) и ультраосновные (SiO₂<44%). По содержанию (Na₂О + К₂О) выделены три ряда магматических горных пород: нормальной щёлочности, с повышенным содержанием щелочей (субщелочные) и щелочные. Последние выделены по появлению в них фельдшпатоидов и (или) щелочных темноцветных силикатов (пироксенов и амфиболов). Граничные значения (Na₂О + К₂О) между рядами магматических горных пород значительно варьируют в зависимости от принадлежности к той или иной группе. Сочетание группы и ряда определяет семейство магматических горных пород с определённым соотношением SiO₂ и (Na₂О + К₂О). Выделены также натриевые, калиево-натриевые и калиевые серии магматических горных пород (по величине Na₂О/К₂О), кроме того, виды (по набору типоморфных и существенных минералов, их количественными соотношениям) и разновидности (термин свободного пользования).

Ультраосновные горные породы (дуниты, оливиниты, перидотиты) сложены оливином или оливином и пироксенами, в основных (пироксениты, габбро, базальт) к ним присоединяется кальциевый плагиоклаз. В кислых горных породах (граниты, риолиты, дациты) уменьшается содержание магнезиально-железистых и кальциевых силикатов и появляются щелочныеполевые шпаты и кварц. В щелочных магматических горных породах наряду с перечисленными минералами появляются нефелин, лейцит, содалит и другие фельдшпатоиды (в ультраосновных, основных и средних магматических горных породах) и эгирин, арфведсонит (в кислых). Для многих щелочных магматических горных пород и тогда они называются агпаитовыми в отличие от миаскитовых. К магматическим горным породам примыкают некоторые из т.н. вулканогенных обломочных или вулканокластических горных пород: лавобрекчии (обломки лавы с лавовым цементом), туфолавы, автомагматические брекчии, пирокласты, тефры, игнимбриты. Магматические горные породы развиты во всех складчатых областях, в фундаменте платформ, на щитах, в современных океанах. Исходные для них магмы возникали в мантии или коре (океанской и континентальной). С группами и рядами магматических горных пород связаны определённые полезные ископаемые. Например, с кислыми магматическими горными породами -- руды олова, вольфрама, золота; с основными -- титаномагнетит, медные руды, исландский шпат, с ультраосновными -- руды хрома, платины, никеля, а с щёлочно-ультраосновными -- руды титана,фосфора, циркония, редкоземельных элементов. В геологической истории Земли происходит эволюция магматических горных пород в сторону увеличения разнообразия их формаций, а также смена примитивных магматических серий дифференцированными. Магматические горные породы могут использоваться как строительные (туфы, лабрадориты и др.), абразивные (пемза) и теплоизоляционные (пемза, перлит) материалы; как сырьё для извлечения ценных компонентов (например, алюминия из нефелиновых сиенитов).

Магматические изверженные породы обладают плотной массивной текстурой при довольно разнообразных типах структур, зависящих от глубины образования породы [3].

Глубинные горные породы.

Граниты -- распространенная горная порода Они представляют собой равномерно кристаллические породы состоящие в основном из кварца (20--40%), полевого шпата -- ортоклаза (40--70%), слюды, иногда роговой обманки (5--20%). Цвет гранитов зависит в основном от ортоклаза и чаще бывает серым и красным.

Чем больше в гранитах зерен кварца, непосредственно связанных между собой, тем прочнее гранит. При изломе гранита разрушение происходит по зернам, а не по плоскостям соединения зерен минералов. Граниты могут быть мелко-, крупно- и среднезернистыми. Чем мельче зернистость, тем граниты прочнее и более морозостойки, а следовательно, и устойчивее против выветривания.

Граниты характеризуются средней плотностью 2,7--2,8 г/см3; объемной массой 2,60--2,65 г/см3, малой водонасыщаемостью, значительной устойчивостью против выветривания и высокой прочностью при сжатии 1400--2500 кгс/см2.

Излившиеся горные породы.

Кварцевые порфиры по минералогическому составу соответствуют граниту, цвет чаще кирпично-красный, бурый, зеленоватый. Структура порфировая с вкраплением в основную массу крупных кристаллов кварца, плотность 2,4-- 2,6 г/см3, предел-прочности при сжатия 1300--1800 кг/см2

Вулканические туфы -- пористые породы, образовавшиеся при уплотнении вулканического пепла или из застывшей вулканической лавы с попавшими туда пеплом и песком [3]..

Технические свойства туфов крайне разнообразны и зависят от их состава и степени цементации. Объемная масса туфов в среднем равна 0,75--1,4 г/см3, предел прочности при сжатии 70--700 кгс/см2. Они воздухопроницаемы, плохо проводят тепло и достаточно устойчивы против выветривания, легко поддаются обработке.

• Управление геомеханическими процессами при проведении очистных выработок в магматических породах.
• Выработки, образуемые в результате непосредственной выемки полезного ископаемого при его разработке, называют очистными.
• Основные задачи управления горным давлением в очистных выработках, также как в капитальных и подготовительных, заключаются в обеспечении устойчивого состояния выработок (или призабойного пространства) в течение необходимого времени их эксплуатации и в выборе наиболее экономичного, но, вместе с тем, полностью обеспечивающего безопасность работающих людей, способа крепления и поддержания выработанного пространства.
• Однако по сравнению с подготовительными и капитальными выработками очистные выработки обладают некоторыми особенностями. Важнейшими из них являются: значительно большие размеры поперечных сечений и их изометричность; непрерывное движение забоя, обусловливающее постоянное изменение поля статических напряжений вокруг выработки, а также большую интенсивность воздействия технологических процессов (взрывных работ); существенно меньшее время эксплуатации. Эти особенности очистных выработок определяют, в свою очередь, и специфические проявления горного давления в них. В частности, значительные размеры сечений очистных выработок определяют увеличение зоны неупругих деформаций вокруг них по сравнению с капитальными и подготовительными выработками, в процесс деформирования пород вблизи очистных выработок вовлекается большее количество структурных неоднородностей низких порядков (крупноблоковой трещиноватости, геологических нарушений и пр.). Вследствие этого достаточно часто реализуются такие виды деформирования массива, как пластическое течение, вязкое деформирование и обрушение.
• При некоторых сочетаниях уровня действующих напряжений и свойств пород в очистных выработках возможны и упругие деформации кровли с сохранением ее устойчивости, либо с внезапным разрушением в форме динамических проявлений горного давления.
• Специфика задач управления горным давлением в очистных выработках связана со сравнительно небольшим, как правило, сроком их эксплуатации и непрерывным подвиганием забоя. Вследствие этого в очистных выработках, в отличие от капитальных и подготовительных, поддерживают обычно не всю отработанную площадь, а лишь некоторую рабочую зону - часть её в непосредственной близости от забоя, ограниченно применяя мощные жесткие виды крепи. Относительно же легкие деревянные или металлические податливые крепи, штанговая крепь и передвижные механизированные крепежно-добычные комплексы, перемещаемые по мере подвигания забоя, находят весьма широкое применение.
• Для управления горным давлением в очистных выработках часто используют закладку из пустой породы, которая поддерживает кровлю очистных пространств и уменьшает амплитуду смещения покрывающих пород. Аналогичную роль играет отбитая горная масса, магазинируемая в блоках при разработке крутопадающих рудных залежей. Оказывая противодавление на стенки очистных камер, замагазинированная руда и порода существенно изменяют условия деформирования массива пород в приконтурной области вокруг очистных пространств.
• В качестве мероприятий по управлению горным давлением в очистных выработках широко применяют полное обрушение пород над всем очистным пространством, за исключением призабойной части. При этом преследуют двоякую цель. горный порода магматический выработка
• Во-первых, вызывают искусственную разгрузку массива, в результате чего призабойная область освобождается от высоких статических напряжений (опорного давления). Во-вторых, вследствие заполнения выработанного пространства устраняется опасность динамических нагрузок в окружающем массиве и воздушных ударов. Это создает возможность безопасного ведения горных работ в непосредственной близости от очистных выработок.
• Формы и характер проявлений горного давления в очистных выработках весьма разнообразны (от небольших перемещений и деформаций горных пород и полезного ископаемого до их разрушения и обрушения, от незначительных нагрузок на крепь до полного вывода ее из строя) и зависят от многих факторов, в том числе от глубины разработки, структуры и механических свойств массива горных пород, мощности и угла падения полезного ископаемого. Большое влияние на проявления горного давления оказывают производственно-технические условия эксплуатации месторождений, характеризующиеся формой, размерами и расположением выработок, технологией ведения добычных работ, способом управления горным давлением, скоростью подвигания забоев, видом крепи и т. д.
• Вместе с тем со склонностью пород к тому или иному виду деформирования связаны выбор систем разработки месторождения и установление оптимальных параметров этих систем.
• Общая картина процессов, происходящих в массиве пород вокруг очистной выработки, заключается в изменении поля статических напряжений и, как следствие этого, в деформировании окружающих пород. В первую очередь на контуре выработанного пространства и в окружающем массиве пород происходят упругие смещения. В некоторых, достаточно немногочисленных случаях, указанными упругими смещениями процессы деформирования массива пород и исчерпываются. Однако это может иметь место лишь при очень прочных породах и высокой степени монолитности массива, в частности, при разработке некоторых рудных месторождений системами с открытым очистным пространством, например, камерными и камерно-столбовыми системами.
• Гораздо чаще в выработанном пространстве вслед за упругими смещениями пород кровли и стенок развиваются неупругие деформации и происходят локальные разрушения. Этому способствует развитие в окружающем массиве зон концентрации как сжимающих, так и растягивающих напряжений. В процессы деформирования вовлекаются большие объемы пород, а вследствие этого - неоднородности низких порядков, по поверхностям которых массив наиболее ослаблен. В результате этого в очистных выработках развиваются процессы обрушения покрывающих пород.
• Напряжённо-деформированное состояние вокруг очистной выработки. Зоны опорного давления и разгрузки.
• По мере извлечения полезного ископаемого и перемещения забоя поле напряжений вокруг очистной выработки изменяется. Область массива, в пределах которой происходят эти изменения, называют зоной влияния очистной выработки. В отличие от подготовительных выработок зоны влияния вокруг очистных пространств охватывают значительно большие области массива. Нередко процессы захватывают всю толщу вышележащих пород вплоть до дневной поверхности. Значительные области массива вовлекаются в процессы деформирования также и со стороны почвы очистной выработки.
• По степени и характеру процессов деформирования и перемещения пород в пределах области влияния очистной выработки в массиве могут быть выделены несколько различных зон: зона обрушений, зона трещин, зона плавного прогиба, зона сдвижений.
• С точки зрения напряженного состояния в массиве пород вокруг очистной выработки выделяют две характерные зоны: зону разгрузки и зону опорного давления (рис. 1.1).
• 
• Рис. 1.1 Схема деформирования пород вокруг очистной выработки при крутом падении пласта. 1 -- зона опорного давления; 2 -- пласт угля; 3 -- зона разгрузки; 4 -- эпюры напряжений; 5 -- граница области влияния выработки
• Зона разгрузки характеризуется тем, что в ее пределах породы испытывают меньшие напряжения, чем существовавшие до проведения очистной выработки. Область, где напряжения превышают уровень первоначального поля напряжений, носит название зоны опорного давления и по существу представляет собой зону концентрации напряжений вокруг очистной выработки.
• Необходимо отметить, что поскольку границы очистной выработки все время перемещаются в пространстве, выделенные зоны также находятся в непрерывном движении, так что породы массива, претерпевая изменения состояния, постепенно переходят из одной зоны в другую.
• В частности, на угольных месторождениях под влиянием высоких напряжений в краевой части пласта, уголь, непосредственно примыкающий к забою, разрушается, его несущая способность снижается, и максимум опорного давления перемещается в глубь массива. В результате размеры зоны разгрузки увеличиваются, а границы зоны опорного давления отодвигаются от кромки забоя. Разрушенный уголь интенсивно отжимается в выработку, что широко используют в практике для снижения усилий на его отбойку.
• Подобные же явления отмечаются и на некоторых рудных месторождениях.
• Ввиду непрерывного подвигания забоя очистной выработки в практике горного дела принято выделять временное или эксплуатационное опорное давление, возникающее вблизи перемещающихся границ очистного пространства. В противоположность этому, зону концентрации напряжений возле неподвижной границы очистной выработки называют зоной остаточного или стационарного давления.
• Параметры зоны опорного давления определяются многими факторами. В первую очередь, к ним следует отнести параметры начального поля напряжений, размеры и конфигурацию очистных пространств, деформационно-прочностные свойства массива вмещающих пород, а также способ воздействия на угольный пласт или рудное тело. На рис. 1.2 представлены зависимости ширины зоны опорного давления от глубины заложения очистной выработки и от мощности пласта в условиях угольных месторождений.
• Рис 1.2 Зависимости ширины l зоны опорного давления от глубины заложения очистных выработок H и от мощности пласта m
• Вследствие сложности определения напряженно-деформированного состояния пород вокруг очистных выработок до широкого распространения методов математического моделирования, расчет параметров зоны опорного давления выполняли без вычисления компонент полей статических напряжений в массиве, окружающем выработанные пространства. Такой подход основан на следующих положениях:
• Если на контуре выработки породы претерпевают значительные пластические деформации или разрушаются, то результирующая эпюра опорного давления имеет вид не плавной кривой, а содержит точку перегиба и состоит из двух ветвей, возрастающей и ниспадающей (рис. 1.3).
• Рис. 1.3 Эпюра напряжений в зоне опорного давления при разрушении пород на контуре очистной выработки
• 2. Параметры зоны опорного давления могут быть определены на основе аппроксимации обеих ветвей эпюры некоторыми функциями, конкретный вид которых зависит от принятых допущений.
• Однако наиболее надежными являются результаты натурных определений и измерений параметров зон опорного давления, а не расчетные параметры. В частности, многочисленными инструментальными наблюдениями установлено, что пик напряжений в зоне опорного давления располагается обычно на расстоянии от забоя, равном 2 - 5 мощностям пласта и равен чаще всего (2-3) H.
• Для рудных месторождений закономерности образования зон опорного давления и распространения их в глубь массива от кровли и почвы очистных выработок изучены в меньшей степени, имеются данные лишь для отдельных конкретных месторождений.
• В частности, по результатам непосредственных измерений напряжений в массиве пород вокруг камер на Высокогорском железорудном месторождении Урала установлено, что максимальное значение опорного давления при ширине камер 15--60 м составляет (3 - 11) H. Этот максимум расположен на расстоянии 2 - 6 м от границы выработанного пространства.
• В условиях мощных крутопадающих пластообразных залежей, как, например, на рудниках им. Дзержинского и им. Кирова в Криворожском железорудном бассейне, при разработке системами с обрушением зона стационарного опорного давления со стороны висячего бока распространяется ниже горизонта очистных работ на 130 - 140 м по вертикали. Коэффициент концентрации К напряжений составляет в среднем 1.4 (рис 1.4).
• Со стороны лежащего бока зона опорного давления начинается ниже горизонта очистных работ на 30 м и протягивается на глубину до 180 м. Область максимальной концентрации напряжений располагается на глубине 110--120 м, при этом коэффициент концентрации К в среднем равен также 1,4.
• Рис 1.4 Распределение напряжений в зоне влияния очистной выемки мощных пластообразных рудных залежей а - схемы и размеры зон различного напряженного состояния, б, в - изменение коэффициента концентрации напряжений в зависимости от расстояния до горизонта очистных работ у висячего и лежачего боков залежи. 1 - рудное тело; 2 - зона обрушения, 3 - зона опорного давления, 4 - зона разгрузки, 5 - зона сдвижения, 6 - зона разрушенной руды
• В условиях апатитовых месторождений Хибин, разрабатываемых системой с массовым принудительным обрушением, ширина зоны опорного давления при высоте горизонта 70 м составляет 40--70 м.
• Взаимное влияние очистных выработок при разработке обособленных и сближенных пластов и рудных тел.
• В реальных условиях случаи, когда пласт или рудное тело отрабатывают одним забоем, а породы окружающего массива испытывают влияние лишь одной очистной выработки, встречаются редко. Гораздо чаще очистные работы ведут в непосредственной близости от ранее выработанных пространств, одновременно по нескольким пластам или жилам, или же на нескольких соседних участках одного и того же пласта (рудного тела).
• В этих случаях окружающие породы подвергаются одновременному воздействию нескольких очистных выработок, поле статических напряжений в массиве пород вокруг очистных пространств формируется в результате наложения областей влияния каждой выработки и может иметь весьма сложную структуру. Вследствие этого количественно охарактеризовать взаимное влияние очистных выработок в настоящее время весьма сложно, поэтому ограничимся рассмотрением лишь качественной стороны вопроса.
• Рассмотрим два наиболее характерных случая взаимного расположения очистных выработок, очистные выработки располагаются в одной горизонтальной плоскости; взаимовлияющие выработанные пространства находятся на различной глубине от поверхности.
• В первом случае в результате взаимного влияния выработанных пространств в областях массива, примыкающих к границам очистных выработок, происходит наложение зон опорного давления, и породы испытывают повышенные нагрузки. Подобная ситуация, например, имеет место, когда осуществляют отработку рудного тела или пласта без оставления целиков и фронт отработки непосредственно соприкасается в плане с ранее выработанным пространством или обрушенными породами (рис. 1.5а).
• 
• Рис. 1.5 Взаимное наложение зон опорного давления при различных схемах развития очистных работ. а - при ведении работ без оставления целиков между вновь образуемым и ранее образованным очистным пространством; б - при отработке ранее оставленных целиков; в - при ступенчатой форме лавы. Стрелками показано направление движения забоев. 1 - область вне пределов зоны опорного давления; 2 - зона опорного давления протяженностью l; 3 - участки взаимного наложения зон опорного давления; 4 - отработанное пространство
• Наложение зон опорного давления может происходить при отработке ранее оставленных целиков, а также при ступенчатой конфигурации фронта очистных забоев (рис. 1.5 б,в) [2]. В соответствии с этим для облегчения условий добычи полезного ископаемого необходимо по возможности стремиться к прямолинейной форме фронта очистных работ и равномерному перемещению в пространстве всех забоев, без образования выступов неотработанных частей пласта или рудного тела в выработанном пространстве.
• Однако реальная опасность и практические затруднения в вопросах охраны и поддержания выработок, попадающих в зону опорного давления, возникают лишь в случае, когда значения действующих напряжений приближаются к пределам прочности пород.
• Во втором случае (когда разрабатывают свиту пластов или жил) величины деформаций пород обусловливаются, прежде всего, порядком и очередностью отработки отдельных пластов (жил) в свите, их мощностью, условиями залегания и способом управления горным давлением.
• Различают пласты независимые и сближенные. Пласты в свите считают независимыми, если разработка их возможна в любом порядке и очередности. Под сближенными понимают обычно такие пласты, одновременная разработка которых затруднена или невозможна или когда разработка одного из них осложняет дальнейшую разработку другого.
• При отработке нижнего пласта (или жилы) раньше, чем верхнего (т. е. при подработке) происходит смещение пород междупластья, вследствие чего над нижним пластом возникает, как правило, зона беспорядочного обрушения, переходящая постепенно в зону прогиба пород с образованием трещин, выше которой появляется зона плавных прогибов. Если подрабатываемый пласт попадает в одну из первых двух зон, то он может оказаться разрушенным или сильно разбитым трещинами, и разработка его становится затруднительной.
...