Месторождения полезных ископаемых

Долгий И.Е.

Д 64. Основы горного производства: Учеб. пособие / И.Е.Долгий, А.А.Силантьев. Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). СПб, 2003. 96 с.

ISBN 5-94211-186-3.

УДК 622.016.222.01 (075.80)

ББК 33

 

ISBN 5-94211-186-3

Ó Санкт-Петербургский горный институт им. Г.В.Плеханова, 2003 г.

Введение

 

Обновление материально-технической базы народного хозяйства России невозможно без ускоренного развития топливно-энергетического потенциала страны и, в частности, горной промышленности, зависящей, в первую очередь, от эффективности горного производства. Горное производство – это комплекс инженерно-технических и экономических решений по строительству и эксплуатации горных предприятий, обеспечивающих народное хозяйство страны необходимыми природными ресурсами. Нормальная эволюция горного производства по добыче полезных ископаемых, рациональное использование горных машин и безопасное ведение горных работ на действующих горных предприятиях немыслимы без проведения подготовительных выработок в объемах, соответствующих производительности горного предприятия. решающее значение в настоящее время приобретает надежная комплексная оценка технологического потенциала горных предприятий. Выявленные при этом скрытые возможности могут обеспечить конкурентоспособность горного предприятия, выполнение жестких требований к его реструктуризации и социально-экономическому развитию.

Учебное пособие соответствует действующей программе курса «Основы горного производства» для студентов очного и заочного обучения по специальностям экономического профиля.

В пособии обобщен передовой отечественный и зарубежный опыт проведения и крепления горных выработок.

 

 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ

Месторождения полезных ископаемых

Полезное ископаемое – природное минеральное образование земной коры, которое представлено в виде пластов или других геометрических форм и может быть использовано в сфере материального производства.

Месторождение – естественное скопление полезного ископаемого в земной коре, которое по качественным и количественным показателям и условиям залегания пригодно для промышленного освоения.

Пласт – геологическое тело, сложенное однородной осадочной породой, ограниченное двумя приблизительно параллельными поверхностями и занимающее значительную площадь. Пласт (или залежь полезного ископаемого иной формы) имеет три измерения: длину, ширину и толщину, которые соответственно называют простиранием, падением и мощностью.

Линия простирания пласта –линия, образующаяся при пересечении плоскости пласта с горизонтальной плоскостью (рис.1, а, плоскость АБ).

Линия падения – линия, образующаяся при пересечении плоскости пласта с вертикальной плоскостью (рис.1, а, плоскость ВГ).

 

 

Рис.1. Элементы залегания пласта

Падение пласта характеризуется углом падения a, который образуют линия падения и ее проекция на горизонтальную плоскость (рис.1, а).

Положение пласта (залежи) в толще пород определяется двумя параметрами: азимутом, т.е. углом между линией простирания АБ и магнитным меридианом С – Ю (рис.2), углом w и углом падения a.

кровля пласта – толща пород, залегающих над пластом полезного ископаемого. почва пласта – толща пород под пластом.

мощность пласта m (см. рис.1, б) – расстояние между почвой и кровлей пласта по нормали.

Различают пласты простого и сложного строения. Пласт простого строения состоит только из полезного ископаемого (см. рис.1, б), пласт сложного строения разделяется на отдельные слои (пачки) с прослойками породы (рис.1, в).

свита пластов – несколько пластов, залегающих в определенной толще вмещающих пород.

 

 

ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ГОРНЫХ ПОРОД

 

Механика горных пород – научная дисциплина, занимающаяся изучением физико-механических свойств горных пород и явлений, происходящих в массиве горных пород при производстве горных работ.

 

 

Физико-механические свойства

Горных пород

 

Горные породы в природе не являются абсолютно монолитными, так как часть их объема составляют поры, каверны и трещины различных форм и размеров.

Пористость горных пород h – объем всех пустот в породе

h = ,

где V _п – объем пор; V – объем всей породы.

Пористость может быть определена коэффициентом пористости

e = ,

где V_m – объем скелета породы.

Обе эти зависимости взаимно связаны:

h = ;

Пористость присуща всем горным породам. Пористость магматических пород 1-3 %; известняков и песчаников 5-20 %; песков 25-35 %; глин и лесса 40-45 %.

Объемный вес породы g – вес единицы объема абсолютно сухой породы при данной ее пористости. Удельныйвес породы d – вес единицы объема скелета породы в воздухе при отсутствии пор.

Взаимозависимость пористости объемного и удельного веса можно представить в виде

h = = .

Разрыхляемость горных пород – увеличение объема горной породы после отделения от массива по сравнению с ее объемом в массиве. Она характеризуется коэффициентом разрыхления

К _р = ,

где V _Р – объем горной породы в разрыхленном состоянии.

Влажность горных пород – количество воды, содержащейся в их порах, трещинах и других полостях. Различают весовую (W _в) и объемную (W_v) влажность

; ;

где Р _в – вес воды в порах; V _в– объем воды в порах; Q _ск – вес скелета горной породы; V _ск – объем скелета горной породы.

С точки зрения задач проведения и крепления горных выработок особенно важными свойствами горных пород являются прочность и стойкость.

Прочность горных пород – их свойство в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия (нагрузки). Прочность горных пород определяет в известной мере характер проявления горного давления при их обнажении. В качестве критерия прочности (крепости) горной породы принимают коэффициент крепости Протодьяконова

,

где – предел прочности рассматриваемой породы на одноосное сжатие, Мпа, = ; Р – разрушающая нагрузка, H; F – площадь среднего сечения образца, см², F = ()², V – объем образца, см³.

Стойкость горных пород – изменение их прочности с течением времени. Относительная стойкость горных пород может быть выражена через обобщенный коэффициент стойкости, который показывает снижение их временного сопротивления на сжатие за единицу времени (месяц, год) после обнажения горной выработкой

,

где и – сопротивление сжатию извлеченной породы сразу после обнажения и через определенный промежуток времени соответственно, МПа.

Горное давление

 

Горным давлением называют силы в породах, окружающих горную выработку. Основной причиной горного давления являются силы тяжести, вследствие которых породный массив находится в напряженном состоянии.

Рис.7. Схема к определению напряженного состояния массива горных пород

В нетронутом массиве, до проведения горных выработок, горные породы находятся в равновесном объемном напряженном состоянии (рис.7), т.е. деформации по граням рассматриваемого кубика отсутствуют, что может быть выражено уравнением полной относительной деформации по какому-либо боковому направлению:

, (1)

где – нормальные напряжения по соответствующим осям координат, МПа; – коэффициент Пуассона; Е – модуль упругости, МПа.

Проведение подземных выработок вызывает изменение силового поля, характеризующего напряженное состояние пород. в процессе перераспределения напряжений возникающие силы стремятся перейти в новое состояние равновесия, вызывая при этом те или иные деформации пород. Из уравнения (1) получим

,

где = l – коэффициент бокового распора.

Размеры и очертание зоны разрушения или пластического течения породы зависят от соотношения вертикального и бокового давлений. Эту зону называют зоной пониженных напряжений. Характер распределения напряжений вокруг выработки может быть установлен аналитически или экспериментально.

Задача о распределении напряжений вокруг горизонтальной выработки круглого, эллиптического и прямоугольного поперечных сечений была решена А.Н.Динником, А.Б.Моргаевским и Г.Н.Савиным на основе теории упругости. Было установлено, что распределение напряжений вокруг выработки зависит от формы и размеров ее поперечного сечения. В кровле и почве выработок возникают растягивающие напряжения –

,

где К ₁ – коэффициент концентрации растягивающих напряжений.

В боках выработки наблюдается увеличение сжимающих напряжений:

,

где К ₂ – коэффициент концентрации снижающих напряжений.

Максимальная концентрация напряжений приурочена к углам выработки, где при угле 90° они могут достигать бесконечно больших значений. Концентрация напряжений вокруг выработки ограничивается некоторой зоной, размеры которой не превышают (3¸5) а, где а – наибольший линейный размер сечения.

Коэффициент концентрации напряжений – отношение напряжения, возникающего после проведения выработки, к первоначальному. Обычный диапазон его значений 1,3-3.

 

 

В горных выработках

 

Обнажениями пород в горизонтальных и наклонных выработках являются их кровля, почва и бока, а в вертикальных – стенки.

Зоны, в которых происходит перераспределение напряжений после проведения выработок, могут иметь различное очертание, которое зависит от физико-механических свойств пород, характера их залегания, глубины и геометрии выработки. Напряжения в этих зонах могут превзойти предел прочности пород, вследствие чего происходит их разрушение. Для этих зон характерно постепенное уменьшение степени их разрушения и увеличение напряжений в направлении от контура выработки в глубь массива. Эти зоны называют областями пониженных напряжений (по П.М.Цимбаревичу), или областями неупругих деформаций (по К.В.Руппенейту). Вследствие образования области неупругих деформаций на ее границе происходит новое перераспределение напряжений. За ее пределами возникает область повышенных напряжений, которая дальше вверх переходит в область, в которой напряжения соответствуют первоначальным (рис.8). Таким образом, напряжения на контуре выработки практически равны нулю, а на границе области неупругих деформаций превышают первоначальные, свойственные нетронутому массиву.

Возможны следующие условия образования областей пониженных и повышенных деформаций:

1. Породы кровли выработки неустойчивы, а породы боков и подошвы устойчивы. В этом случае

> ; < ,

Рис.8. Области пониженных (1) и повышенных (2) напряжений вокруг горизонтальной выработки в зависимости от места залегания неустойчивых пород: а и б – в кровле; в – в кровле и боках; г – в кровле, боках и подошве

где и –коэффициенты концентрации соответственно растягивающих и сжимающих напряжений; и – пределы прочности пород соответственно при растяжении и сжатии.

2. Породы в кровле и боках выработки неустойчивые. Тогда

> ; < ,

и область неупругих деформаций распространяется как на кровлю, так и на бока выработки (рис.8, в).

3. Породы в кровле, боках и подошве выработки неустойчивые, и область неупругих деформаций распространяется во все стороны от выработки (рис.8, г).

Расчет горного давления

 

Гипотезами горного давления называют научно обоснованные предположения о его проявлении в массиве пород, главным образом, в зонах тех или иных горных выработок. Проблемами расчета горного давления для тех или иных горно-геологических и горно-технических условий занимались М.М.Протодьяконов, П.М.Цимба­ревич, В.Д.Слесарев, А.Н.Динник, А.Б.Моргоевский, С.Г.Лехницкий, Г.Н.Савин, А.Г.Протосеня, А.Н.Ставрогин, К.А.Ардашев, И.В.Бак­лашов, Б.А.Картозия, Н.С.Булычев, И.Л.Черняк, Г.Л.Фисенко, А.Лабасс, Р.Квапил и др.

Некоторые из предложенных гипотез обеспечили создание простых инженерных методов расчета, дающих приемлемые для практики решения отдельных задач горного давления.

В настоящее время широкое развитие получили теории горного давления, в основе которых лежат строгие методы механики сплошной среды, позволяющие решать задачи, связанные с проявлениями горного давления на более высоком уровне.

Рис.9. Расчетная схема определения горного давления на кровлю горизонтальной выработки по гипотезе Протодьяконова

Гипотеза Протодьяконова предполагает, что над выработкой образуется свод естественного равновесия АОВ (рис.9), и на крепь выработки давление оказывает лишь порода, находящаяся внутри этого свода. Свод должен находиться в равновесии, т.е. сумма моментов относительно любой точки (например, точки М) должна быть равна нулю.

Решая уравнение относительно y, получим уравнение параболы . Это уравнение в точке А приобретает вид:

.

При несвязных рыхлых породах устойчивость свода будет наибольшей при , где – полупролет свода, м; – коэффициент внутреннего трения.

Давление на крепь

.

Для крепких, скальных пород коэффициент внутреннего трения соответствует коэффициенту крепости пород.

В настоящее время для определения величины горного давления для конкретных горно-геологических условий пользуются рекомендациями СНиП 3.02.03-84 «Подземные горные выработки» [27], в которых учтены последние достижения в области механики горных пород.

ГОРНАЯ КРЕПЬ

 

Требования к горной крепи и ее виды

 

Горная крепь, ее несущая способность, тип и размеры выбираются в зависимости от направления и величины горного давления, назначения выработки, срока ее службы, экономических соображений и других факторов. В соответствии с этим горная крепь должна удовлетворять определенным требованиям. Назовем основные:

· прочность и устойчивость;

· минимальное заполнение сечения выработки;

· обеспечение необходимого срока службы;

· небольшое аэродинамическое сопротивление;

· возможность механизации возведения крепи и изготовления ее элементов;

· минимальные расходы на изготовление, транспортирование, установку и ремонт;

· безопасность в пожарном отношении;

· при необходимости водонепроницаемость, возможность повторного использования и другие специальные требования.

Горную крепь классифицируют по следующим признакам:

· виду выработок – крепь капитальных, подготовительных и очистных выработок;

· положению выработок в пространстве – крепь горизонтальных, вертикальных и наклонных выработок;

· конструктивным признакам – крепь сплошная, рамная, анкерная;

· материалу – крепь деревянная, металлическая, бетонная, железобетонная, смешанная;

· характеру работы – крепь жесткая и податливая;

· условиям работы – крепь обычная и специальная.

Крепь, узлы и элементы которой обеспечивают определенную податливость при сохранении заданной несущей способности, называют податливой.

Правильно выбранная крепь должна обеспечивать устойчивость выработки, причем сумма первоначальной стоимости крепи и последующих затрат на поддержание выработки в эксплуатационном состоянии за все время ее существования должна быть наименьшей.

Для примера определим, какой крепью (бетонной или металлической) целесообразно крепить квершлаг длиной L при сроке службы t. Пусть стоимость 1 м проведения квершлага и крепления его бетонной крепью С _б, металлической С _м, а стоимость поддержания 1 м в год и соответственно.

закрепить квершлаг бетонной крепью выгоднее, если суммарные затраты окажутся ниже, чем при металлической крепи, т.е. + < + , откуда

t > .

Из неравенства следует, что бетонная крепь экономичнее, если срок службы квершлага в годах будет больше указанного отношения стоимостей.

Материалы для горной крепи

 

Для изготовления горной крепи применяют обычно те же материалы, что и для строительства сооружений на земной поверхности. Вместе с тем специфические условия горных выработок (различный характер проявления горного давления, воздействие подземных вод, влияние шахтной атмосферы и др.) предъявляют к материалам повышенные требования.

Для изготовления несущих конструкций крепи, как правило, используют дерево, металл, естественные и искусственные камни, бетон и железобетон, а в качестве вспомогательных материалов – различные изделия из сортовой стали (скобы, крюки, болты и пр.), изоляционные материалы, некоторые химические реагенты (хлористый кальций, жидкое стекло) и др.

Лесоматериалы. Горная промышленность является одним из главных потребителей древесины хвойных (сосна, лиственница, ель и др.) и лиственных (дуб, бук, граб и др.) пород.

Срок службы деревянной крепи в шахте зависит от породы древесины, влажности и условий проветривания. Срок службы сосновой крепи 1-2 года, в хороших условиях до 5 лет, дубовая крепь сохраняет эксплуатационные качества в 2 раза дольше.

Срок службы деревянной крепи увеличивается, если крепь изготовлена из качественного и сухого леса, а выработки интенсивно проветриваются. Кроме того, хороший эффект дает антисептирование древесины.

Для снижения огнеопасности древесину пропитывают огнезащитными составами (антипиренами) или покрывают торкретбетонами. В качестве антипиренов применяют фосфорнокислый и сернокислый аммоний.

Металл. Для изготовления горной крепи преимущественно применяют черные металлы: сталь и чугун. Из стали изготавливают основные, несущие нагрузку элементы крепи – арматуру железобетонных конструкций и анкеры (прокатные профили), отдельные элементы крепи (листы и полосы), различные конструктивные элементы (хомуты, скобы, болты, гайки, подвески и пр.). В отдельных видах горной крепи используется металлическая сетка. На рис.10 представлены основные виды проката для изготовления крепи.

в

б

а

у

у

у

х

у

у

г

у

у

у

х

 

		е
		д
	125,0

х

80,0

у

х

95,0

 

 

Рис.10. Специальный стальной прокат для горной крепи: а – спецпрофиль СП

(подтипы А и Б); б и в – спецпрофиль взаимозаменяемый с желобчатыми фланцами (СВПЖ); г – взаимозаменяемый V-образный спецпрофиль; д и е – широкополочный двутавр 100 ´ 100 и 100 ´ 80 мм соответственно

 

Чугун по сравнению со сталью обладает большей стойкостью против коррозии. В основном, он идет на изготовление тюбингов, служащих для крепления выработок, строящихся в сложных горно-геологических условиях.

Вяжущие вещества. Для возведения крепи необходимы порошкообразные материалы, образующие при затворении водой пластичные массы, которые в результате происходящих при этом физико-химических процессов способны затвердевать, превращаясь в искусственный камень.

При подземных горных работах применяют гидравлические (способные твердеть как на воздухе, так и под водой) вяжущие – различные цементы (портланд-цемент, глиноземистый, шлаковый портланд-цемент, пуццалановый, расширяющийся цемент и безусадочный).

Растворы. При возведении горной крепи и других подземных работах обычно применяют цементно-песчаные растворы – смеси в определенных пропорциях одного или нескольких вяжущих веществ с мелким заполнителем (песком), хорошо перемешанные и затворенные водой.

Бетоны. Эти каменные материалы получают в результате затвердения смеси из вяжущего (цемента), крупного и мелкого заполнителя и воды. Состав бетона в общем виде выражается соотношением 1 : А : Б, которое обозначает, что на одну часть массы или объема цемента приходится А соответствующих частей песка и Б частей щебня или гравия. Обязательной характеристикой бетона является водоцементный фактор (В/Ц), выражающий отношение массы воды к массе цемента. Наилучшим водоцементным отношением следует считать 0,2-0,3.

В зависимости от условий работы крепи, ее возведения или изготовления отдельных элементов в некоторых случаях применяют специальные бетоны, к которым относятся быстротвердеющий бетон, торкретбетон, набрызгбетон, пластбетон, сталебетон и др. К составляющим, используемым для приготовления бетона, предъявляются определенные требования, предусматриваемые соответствующими ГОСТами.

Железобетон – материал, состоящий из бетона и введенной в него стальной арматуры, работающих в конструкции совместно. Такие конструкции способны вынести значительные сжимающие, изгибающие, а в некоторых случаях и растягивающие нагрузки.

Естественные и искусственные камни. Для изготовления крепи искусственные камни (кирпич, бетониты, цементные блоки, шлакоблоки, силикатные камни и др.) применяют значительно реже, чем дерево, металл или бетон.

В настоящее время появляются новые материалы для изготовления крепи: стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ), а также материал на основе пластбетона, самонапряженного железобетона, прессованной древесины, углепласта и др.

 

 

Виды крепи

 

Рис.11. Металлические рамы

Металлическая крепь. В горизонтальных выработках металлическая крепь применяется в виде трапециевидных и бочкообразных рам (рис.11), арок и колец, которые могут быть жесткими, шарнирными и податливыми. Кровлю и бока выработки затягивают тонким круглым лесом, распилами, досками, железобетонными затяжками или металлической сеткой. Арочная податливая крепь из спецпрофиля (СВП), как пра­вило, предназначена для крепления подготовительных выработок в условиях преимущественно вертикального неустановившегося горного давления (рис.12).

Кольцевая жесткая крепь (рис.13, а) из двутавровых балок № 14-20 или железнодорожных рельсов состоит чаще всего из трех или четырех элементов. Кольцевая податливая, шарнирная крепь (рис.13, б и в) и шарнирно-податливая (рис.13, г) изготавливается из стали специального профиля. Такая крепь хорошо работает в условиях значительных всесторонних нагрузок, в том числе при пучащих породах почвы.

Каменная и бетонная крепь. Эти виды крепи применяют для крепления горных выработок с большим сроком службы и при значительном горном давлении вне зоны влияния очистных работ (выработки и камеры околоствольных дворов, капитальные квершлаги и др.). При большом вертикальном горном давлении основной формой крепи является сводчатая с вертикальными стенами (рис.14). Основными частями такой крепи являются свод 1, стены 2 и фундаменты 3. Верхняя часть cвода называется замком 4, а места опирания свода на стены – пятами свода 5.

Рис.14. Формы поперечного сечения выработок при бетонной и каменной крепи

менты 3. Верхняя часть cвода называется замком 4, а места опирания свода на стены – пятами свода 5.

Толщину стены принимают равной толщине свода или на 20-30 % больше. Пространство между крепью и породой (закрепное пространство) забучивают кусками породы и заливают цементно-песчаным раствором с соотношением 1 : 5 или 1 : 7.

Монолитная железобетонная крепь. Этот вид крепи применяется в наиболее ответственных капитальных горных выработках или на участках при больших нагрузках (рис.15). Железобетонная крепь обычно имеет сводчатую или кольцевую форму поперечного сечения. При возведении крепи может применяться гибкая жесткая и смешанная арматура.

Достоинствами монолитной железобетонной крепи являются большая несущая способность, монолитность, хорошее сцепление с окружающими породами и возможность придания выработкам любой формы поперечного сечения. Вместе с тем, возведение такой крепи весьма трудоемко, оно требует значительного расхода металла и отличается высокой стоимостью.

Рис.15. Монолитная железобетонная крепь: а – кольцевая с гибкой арматурой, б – подковообразной формы со смешанной арматурой, в – бочкообразная с жесткой арматурой, 1 – арка из спецпрофиля, 2 – железобетонные затяжки, 3 – гибкая арматура, 4 – двутавровые элементы рамы, 5 – железобетонные затяжки

Сборная железобетонная крепь. Эта крепь способна воспринимать горное давление почти сразу после ее установки, поэтому во многих случаях временной крепи не требуется. Этой крепью можно крепить выработки различной формы поперечного сечения. Она может быть жесткой и податливой. Ее элементы изготавливают индустриальным способом на заводах железобетонных конструкций из обычного и предварительно напряженного железобетона.

К настоящему времени разработано и испытано множество конструкций железобетонной крепи для различных горно-геологических условий (рис.16-18). Установка крепи может осуществляться вручную (при массе ее элементов до 80 кг) или с применением крепеустановщиков.

Анкерная (штанговая) крепь. Этот вид крепи принципиально отличается от других тем, что устойчивость обнажений обеспечивается не за счет возведения поддерживающих конструкций, а за счет увеличения несущей способности прилегающих к выработке пород путем скрепления их отдельных слоев штангами, помещаемыми тем или иным способом в специально пробуренных шпурах (скважинах). По роду материала различают штанги металлические, деревянные, железобетонные, с химическим закреплением и др.

 

Условия работы штанговой крепи весьма разнообразны, но можно выделить три наиболее характерных случая:

Рис.16. Железобетонная арочная шарнирная крепь   Рис.17. Железобетонная арочная податливая шарнирная крепь         б а   Рис.18. Сборная железобетонная крепь УРП: а – трапециевидная, б – полигональная

· слой малоустойчивой породы незначительной мощности «подшивается» штангами к устойчивой кровле (рис.19, а);

· несколько слоев породы небольшой мощности «сшиваются» штангами в одну пачку (рис.19, б и в);

· однородная трещиноватая порода «прошивается» штангами, вследствие чего повышается ее устойчивость (рис.19, г).