Поддержание очистного пространства обрушением руды и вмещающих пород

На глубине силы веса вышележащих пород формируют в нетронутом массиве объемное поле напряжений. Вертикальные напряжения при обычных условиях больше, чем горизонтальные, так как горные породы, в отличие от жидкостей, не передают давление по всем направлениям одинаково. В идеальном случае вертикальное напряжение σ прямо пропорционально плотности налегающих пород γ и глубине Н:

σ = k γ Н,

где k – коэффициент, учитывающий, какая часть столба вышележащих пород передает свой вес на рассматриваемый участок (к = 1 при гидростатическом характере передачи давления, менее 1 – при действии распорных сил, отклоняющихся от вертикального направления, более 1 – при появлении дополнительных вертикальных напряжений тектонического происхождения).

Пример. При средней плотности пород толщи 2 т/м³, глубине 600м и гидростатическом характере действующих сил вертикальное напряжение составит 1200 т/м² или 120 кг/см² (12 МПа).

В нетронутом массиве порода испытывает всестороннее сжатие, при котором прочностные свойства породы в десятки, сотни раз больше, чем прочностные свойства этой же породы в условиях одноосного сжатия (по результатам которого в лабораторных условиях определяется кубиковая (паспортная) прочность образца массива).

Выработки, образуемые в процессе выемки руды, нарушают объемное равновесие действующих сил и перераспределяют их таким образом, что напряжения концентрируются в приконтурном массиве. Увеличение напряжений в этом случае зависит от упругих и реологических свойств горных пород, направления и характера их трещиноватости, от характера контура обнажения массива, от динамики условий состояния обнажения. С другой стороны, в приконтурных частях массива исчезают условия всестороннего сжатия. Со стороны обнажения исчезают ранее действовавшие силы, в связи с чем неуравновешенные силы противоположного направления начинают деформировать материал в сторону обнажения и на самой границе массива формируются поля растягивающих напряжений. Прочностные характеристики на растяжение в 5-10 раз ниже одноосных сжимающих, и действующие силы начинают разрушать материал, что проявляется в возникновении трещин. Наводимая сеть трещин приводит в конечном счете к полной потере несущей способности приконтурной части массива и, как следствие, — к вывалу кусков и увеличению площади обнажения. Незакрепленное, увеличивающееся обнажение со временем становится причиной лавинообразного разрушения приконтурной зоны — так называемых горных ударов, породных выбросов. Этим явлениям, как правило, предшествуют шелушение и стреляние горных пород.

При добыче руды горный массив нарушается множеством подготовительных, нарезных и очистных выработок, что приводит к значительному перераспределению горного давления. Часть массива находится в зоне разгрузки, а часть массива — в зоне повышенного давления. С целью недопущения опасных концентраций напряжений в зоне ведения очистных работ предусматривается особый порядок ведения горных работ, обосновываются оптимальные конструктивные параметры технологии. В данном случае речь идет об обрушении руды и вмещающих пород как о способе поддержания очистного пространства на период очистной выемки.

Если не предусматривать естественное или искусственное поддержание очистного пространства, то в процессе выемки руды (т.е. в процессе очистной выемки) вмещающие породы или обрушаются вслед за фронтом очистных работ, не допуская больших концентраций напряжений, или остаются в виде консоли, размер которой увеличивается в процессе подвигания очистных работ. Во втором случае, когда необрушаемый налегающий массив передает накапливающиеся нагрузки на призабойные части массива, создается угроза внезапного разрушения отрабатываемого массива руды в виде горного удара и массового обрушения выработок, в которых ведутся работы. Для недопущения катастрофических проявлений горного давления применяется технология принудительного обрушения налегающих пород, которые начинают отставать в обрушении больше определенного шага, определенного исследовательским, экспериментальным и производственным опытом, а также на основании опыта работы подземных рудников в схожих горно-геологических условиях.

Частным случаем обрушения налегающих пород является одновременная отбойка руды и налегающих пород как путем перебуривания скважин, так и путем создания специального бурового горизонта. В отдельных случаях целесообразно применять минную отбойку налегающих пород из специальных взрывных камер мощными сосредоточенными зарядами, т.к. к обрушенным породам не применяются требования по качеству дробления.