Оптимальная форма подземных горных выработок

Большой объем исследований, проведенных учеными Государственного предприятия «Научно-исследовательский горнорудный институт» (ГП «НИГРИ», г. Кривой Рог), а также Национального горного и Криворожского технического университетов (НГУ и КТУ) показал, что широко применяемая параллелограмная форма очистных камер не является прочной по фактору горного давления и устойчивой по фактору сейсмического воздействия взрывных волн. Эти факты генерировали проведение дальнейших исследований, направленных на повышение устойчивости обнажений междуэтажных и междукамерных целиков, а также обнажения пород висячего и лежачего боков в очистных камерах.

Исследователями Криворожского технического университета была предложена наклонная форма потолочин. Угол наклона потолочины принимали в соответствии с углом действия главного нормального напряжения в нетронутом массиве пород. Это позволило снизить растягивающие напряжения в обнажении массива руды. Однако при отработке мощных залежей данное технологическое решение не нашло применения.

Одним из основных способов, широко применяемых в Кривбассе и позволяющих повысить устойчивость междукамерных и междуэтажных целиков в процессе достижения камерой проектных размеров, является формирование уступчатой линии очистного забоя. Криволинейная форма очистного забоя, разработанная ГП «НИГРИ», придается обнажению массива руды по падению и простиранию залежи. Расположение уступов в очистной камере возможно горизонтальное, вертикальное или комбинированное, а также одно- и двухстороннее. Широкое применение в бассейне этажно-камерных систем разработки с отбойкой руды вертикальными веерами глубоких скважин осложняет формирование горизонтальных уступов в очистных камерах. Это вызвано недостаточной точностью оконтуривания обнажения массива руды. Помимо этого, для повышения устойчивости наклонных и горизонтальных рудных обнажений разработаны сводообразные и шатровые формы потолочин, располагающиеся горизонтально и наклонно.

Выбор рациональной схемы расположения уступов либо формы потолочин проводится инженерно-техническими работниками шахт, опираясь на производственный опыт. Определение формы очистных камер производится без необходимого научного обоснования уровня устойчивости той или иной формы конструктивного элемента систем разработки. Осложняющим фактором является отсутствие критерия оптимальности для широкого спектра разработанных технологий. Это и является одной из основных причин снижения устойчивости обнажений для камерных систем разработки при наличии достаточного объема разработанных технологических схем ведения очистных работ.

Подвергая анализу процесс разработки технологических решений, направленных на повышение устойчивости обнажений, установлено, что он протекает в направлении придания очистным выработкам оптимальных форм по фактору горного давления. С усовершенствованием аналитических методов исследования напряженно-деформированного состояния массива происходит постепенное приближение формы очистных камер к идеальным. Решение задач по оптимизации формы очистных камер (и соответственно, форм очистных забоев, потолочин и целиков) целесообразно производить с применением современных методов исследования, мировые тенденции развития которых ориентированы на применение синергетического подхода. Таким подходом обладает термодинамический метод, разработанный в Криворожском техническом университете В.Ф. Лавриненко и В.И. Лысак. Его основным достоинством по сравнению с известными аналитическими методами является точное определение начального напряженного состояние ненарушенного массива пород, которое оказывает решающее влияние на величины и направления действия нормальных и касательных напряжений вокруг образованных очистных камер.

Оценку устойчивости очистных камер различной формы предлагается производить исходя из устойчивости очистной выработки оптимальной формы. Такая выработка представляет собой эллипсоид вращения. В рудных залежах средней мощности и мощных эллипсоид приобретает форму усеченного за счет оконтуривания камеры породами висячего и лежачего боков. Эллипсоидная форма очистной камеры помимо наивысшей прочности по фактору горного давления обладает высокой устойчивостью по фактору сейсмического воздействия взрывных волн. Это объясняется тем, что такая форма максимально приближаясь к границе зоны разгрузки, сводит к минимуму растягивающие напряжения в обнажениях массива руды, тем самым исключая возможность отслоения слабоустойчивых слоев по контуру. Эллипсоидная форма, как более рациональная, может быть использована для определения формы и высоты обрушаемых слоев с сохранением максимально возможной устойчивости обнажения массива руды. Помимо этого, такая форма может служить эталоном для определения степени устойчивости разнообразных форм очистных камер, обусловленных применением вышеизложенных технологических решений, либо с целью снижения негативного влияния сложных горно-геологических и геоморфологических условий залегания рудных тел. Результаты проведенных исследований показали, что наиболее устойчивым является двухстороннее расположение уступов в камере по простиранию залежи. При этом выступающие в камеру углы уступов характеризуются пониженной устойчивостью.

Широкий диапазон изменения горно-геологических условий залегания рудных тел по бассейну обусловливает применение потолочин различной формы (горизонтальной, наклонной сводообразной, шатровой, комбинированной). Результаты моделирования напряженно-деформированного состояния рудо-породных обнажений показали, что высокой прочностью и устойчивостью по сравнению с остальными формами обладают сводообразно-наклонные потолочины, определяемые по инструкциям ГП «НИГРИ», которые в свою очередь уступают эллиптическим потолочинам, предложенными НГУ. Решение задачи по повышению устойчивости обнажений для очистных камер конкретных залежей позволит оценить эффективность различных технологических решений и снизить себестоимость добычи руды на глубоких горизонтах шахт Криворожского и других железорудных бассейнов.

УСТОЙЧИВОСТЬ  ВЫРАБОТОК  СВЯЗАНА  С  ЭНЕРГИЕЙ  ГОРНОГО  ДАВЛЕНИЯ