Системы разработки месторождений полезных ископаемых, применяемые при подработке водных объектов

В зависимости от типа, класса и вида водных объектов могут применяться различные системы разработки месторождений. При этом возможные системы разработки (фактически, с поддержанием выработанного пространства или с обрушением полезного ископаемого и вмещающих пород) определяются, исходя из определённых соотношений между пространственным расположением водного объекта, геометрическими параметрами месторождения и параметрами зон геомеханического преобразования массива горных пород.

Кроме того, для подземных истинных и переходных водных объектов в качестве основного условия выступает такое понятие, как достижение необходимой степени их осушения, а для специфических водных объектов устанавливаются соотношения между мощностью рудопородной подушки, ее пористостью, критической глубиной проникновения опасных по прорывам грунтов в обрушенные скальные породы и их мощностью.

При этом необходимо вспомнить, что вокруг каждой очистной выработки образуется несколько зон различного напряжённо-деформированного состояния (рис.9.1).

Рис. 9.1. Схема сдвижения горных пород при разработке пластовых месторожде-ний.

Зоны: I — беспорядочного обрушения; II — разломов; III — активных трещин; IV — локальных трещин; V — плавного прогиба; VI — опорного давления.

Анализ результатов комплексных инструментальных наблюдений в толще пород и на земной поверхности, а также обобщение опыта ведения горных работ в зонах их влияния на инженерные и природные объекты, водо- и газоносные пласты позволили выделить в деформирующемся массиве две области и 16 зон, отличающиеся характерными, свойственными только этим зонам, особенностями.

Область разгрузки характеризуется пониженными, по сравнению с нетронутым массивом, нормальными напряжениями, действующими перпендикулярно напластованию. Она располагается над и под выработанным пространством (на рисунке область разгрузки заштрихована горизонтальными линиями) и имеет в сечении форму двух полуэллипсов, общая ось которых равна ширине очистной выработки D.

Величины полуосей, характеризующих полуэллипсы в подработанной и надработанной частях массива, определяются размерами очистной выработки, углом падения и вынимаемой мощностью пласта, глубиной разработки и способом управления горным давлением, литологическим строением и механическими свойствами горных пород.

В условиях разработки тонких и средней мощности пологих пластов величина полуоси в подработанной толще колеблется обычно в пределах (0,7-1,2) D, но редко превышает 250 м, а в надработанной толще составляет примерно 30-40% величины полуоси в подработанной толще. С увеличением угла падения пород величина полуоси в подработанной толще уменьшается, а в надработанной - увеличивается. При угле падения 90⁰ полуэллипсы в подработанной и надработанной толщах становятся одинаковыми.

Горные породы в зоне разгрузки расширяются и смещаются в стороны выработанного пространства. По мере удаления от этого пространства степень расширения пород уменьшается. Расширение пород происходит как за счет упругого восстановления, так и за счет расслоения пород с образованием полостей зависания. При подработке расслоение и зависание пород играют важную роль в общем процессе разуплотнения массива, и поэтому весь процесс имеет явно выраженный дискретный характер. Наибольшая неравномерность деформаций наблюдается на контактах слоев разной прочности, особенно если слой, имеющий большую жесткость, залегает над легко прогибающимся или обрушающимся слоем. При надработке полости расслоения образуются редко и преимущественно при больших углах падения пластов.

Область повышенного горного давления (ПГД) или, как часто её называют, область опорного давления, граничит с областью разгрузки и располагается над и под нетронутым массивом полезного ископаемого или над и под оставленным в нем целиком.

В рамках данной темы детально эту область рассматривать не будем.

В пределах области разгрузки выделяется несколько зон, наибольший интерес с точки зрения рассматриваемой темы представляют следующие:

В зоне 1, расположенной непосредственно над очистной выработкой, породы наиболее деформированы и разделены на отдельные куски и мелкие блоки. Она обычно носит название зоны обрушения или зоны беспорядочного обрушения, мощность которой обозначим Н_збо. В практике горного дела высоту зоны обрушения принимают равной (3-6)m (m – мощность пласта).

Зона 2, прилегающая к зоне обрушения, характеризуется развитием в прогибающихся слоях нормально секущих трещин и трещин расслоения, разбивающих массив на крупные блоки и образующих систему сквозных водо- и газопроводящих каналов с малым аэродинамическим сопротивлением, не оказывающим влияния на прохождение по каналам растворов и газов. Эту зону называют зоной разломов или зоной блокового сдвига пород,её мощность обозначим Н_збс.

В зоне 3 секущие трещины, идущие от верхней и нижней поверхностей изгибающегося слоя, достигают трещины расслоения и создают систему водо- и газопроводящих трещин со значительным аэродинамическим сопротивлением, которое растет пропорционально удалению их от разрабатываемого пласта. Третью зону называют зоной активных трещин или зоной водопроводящих трещин, её мощность Н_звт.

В зоне 4 деформации растяжения, вызванные изгибом слоя, достигают критических значений в волокнах, прилегающих к верхней и нижней поверхностям слоя. Чем ближе слой расположен к горным работам, тем глубже распространяются в нем критические деформации и тем большее число волокон рвется. Одновременно под влиянием касательных напряжений, вызываемых изгибом слоя, в нем появляются деформации сдвига и зарождаются трещины расслоения. Но поскольку протяженность этих трещин и глубина секущих трещин в четвертой зоне не велики, сквозной водо- и газопроводящей системы трещин в этой зоне не образуется. Зону 4 называют зоной локальных трещин.

Зона 5 характеризуется прогибом пород без разрыва их сплошности. Её называют зоной плавного прогиба.

В зоне повышенного опорного давления находятся зоны 6 и 7, при этом в зоне 6 преобладают упругие деформации, а в зоне 7 - неупругие (необратимые).

В надработанной толще (со стороны почвы выработки) выделяется пять зон (зона обрушения отсутствует), при этом зоны 8-12 по своим качественным характеристикам соответствуют зонам 2-6 подработанной толщи, но все зоны, образующиеся в надработанной толще расположены ближе к разрабатываемому пласту, чем в подработанной.

В прилегающем к земной поверхности слое (или пачке слоев, деформирующихся как одно целое) в результате образования мульды сдвижения образуются зоны растяжения (зона 13 и зона 14), и зоны сжатия (зона 15), при этом зоны растяжения изолированы друг от друга, а зоны сжатия практически сливаются.

При определенных углах падения пород происходит сползание слоев (преимущественно по плоскостям напластования) и в толще появляется зона 16, располагающаяся преимущественно в кровле пласта. В условиях крутого (реже наклонного) залегания слоев она распространяется и в сторону почвы пласта.

Таким образом, риск тех или иных опасных проявлений при подработке водных объектов определяется пространственными и геометрическими соотношениями очистных работ и водных объектов, т. е. другими словами, в пределах каких зон оказывается подрабатываемый водный объект, и может быть оценён на основании сопоставления расстояний от кровли выработанного пространства до водного объекта перпендикулярно к напластованию (Н_г) и параметрами Н_збо, Н_збс и Н_звт

Так, при подработке истинных водных объектов и попадании водного объекта в 1-ю и 2-ю зоны происходит катастрофический прорыв воды с полным затоплением горных выработок, как это имело место на 3-м Березниковском и 1-м Соль-Илецком рудниках. Если водный объект попадает в зону 3, то происходит интенсивное увеличение притока воды в горные выработки, при этом степень интенсивности притока находится в обратной зависимости от соотношения М/m, где М - расстояние от кровли выработки до почвы водного объекта. В случае попадания водного объекта в зону 4 существенного увеличения притока воды в горные выработки, как правило, не происходит. Небольшой дополнительный приток наблюдается иногда из-за повышения водопроницаемости массива за счет разуплотнения горных пород. Из водных объектов, расположенных в зоне 5, вода в выработки не поступает.

В случае разработки калийных месторождений из-за опасности затопления подземных выработок горные работы должны проводиться таким образом, чтобы исключались сдвижения и деформации подрабатываемых пород, приводящие к образованию водопроводящих трещин или к обрушению водозащитной толщи. Поэтому с целью предотвращения сдвижения пород здесь применяются камерно-столбовые системы разработки с последующим заполнением камер закладочным материалом (пустые породы, отходы калийного производства).

Допустимое оседание расположенной над калийными пластами водозащитной толщи определяется с учетом безопасного трещинообразования в зависимости от суммарной мощности отрабатываемых пластов и междупластий, степени заполнения камер закладочным материалом и его усадки.

Эти же соотношения расстояний от кровли выработанного пространства до водного объекта перпендикулярно к напластованию (Н_г) и параметрами Н_збо, Н_збс и Н_звт положены и в основу рекомендаций по выбору систем подземной разработки месторождений под водными объектами целесообразно положить соотношения (табл. 9.2).

Поиск по сайту: