СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ
ROCK PRESSURE CONTROL METHOD

Техническое решение относится к горной промышленности и может быть использовано для управления горным давлением при подземной разработке горизонтальных и пологих рудных залежей.
Известен способ управления горным давлением (а.с. СССР №998759, E21C 41/06, опубл. в БИ №7, 1983), включающий поддержание налегающих пород рудными и искусственными целиками из твердеющей закладки, обрушение пород и отработку выемочного участка камерами с перераспределением горного давления на искусственные целики, причем в центре выемочного участка оставляют массивный рудный целик, и после отработки всего участка производят закладку камер, расположенных по обе стороны от него, а затем осуществляют выемку массивного целика.
Недостатками известного способа являются потери руды в междукамерных рудных целиках, возможность динамических проявлений горного давления при разрушении этих целиков давлением налегающих пород и вероятность воздушных ударов на рабочих горизонтах при самообрушении пород кровли, что негативно сказывается на безопасности труда подземных рабочих.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является способ управления горным давлением (а.с. СССР №1606667, Е21С 41/16, опубл. в БИ №42, 1990 г.), включающий поддержание налегающих пород искусственными целиками из твердеющей смеси, формирование при выемке руды массивного рудного целика между искусственными целиками и перераспределение горного давления на искусственные целики отработкой запасов массивного рудного целика и обрушение пород кровли, причем искусственные целики и центральную часть массивного рудного целика сначала нагружают отработкой камерами его краевых частей у искусственных целиков, а затем производят полную разгрузку массивного рудного целика принудительным обрушением пород кровли между искусственными целиками на образованные камеры, при этом создают подпор искусственных целиков обрушенными породами, после чего отрабатывают полностью запасы массивного рудного целика с формированием у боковых поверхностей искусственных целиков подпорных откосов.
Основным недостатком известного способа является высокая изрезанность выработками пород кровли над искусственными целиками из твердеющей смеси, что создает повышенную концентрацию напряжений вокруг этих выработок и вероятность динамических проявлений горного давления в выработках при проведении работ по принудительному обрушению налегающих пород. Кроме того, расположение буровых выработок над искусственными целиками из твердеющей смеси не позволяет точно воспроизвести скважинами контуры свода естественного равновесия пород над массивным рудным целиком.
Горная практика показывает (Картозия Б.А., Борисов В.Н. Инженерные задачи механики подземных сооружений: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2001, с.12), что свод естественного равновесия в горных породах, как правило, образован параболической поверхностью. Высота h свода естественного равновесия зависит от предела прочности пород.
При реализации известного способа управления горным давлением получают в налегающих породах свод шатровидной формы, который образован плоскими боковыми поверхностями и не является истинным сводом естественного равновесия. Это может привести к самообрушению пород на большой площади до достижения ими истинной формы свода естественного равновесия и, как следствие, к воздушным ударам в выработках.
Таким образом, недостаточно точное формирование свода естественного равновесия в налегающих породах не обеспечивает достаточной надежности управления горным давлением в известном техническом решении. Возможность динамических проявлений горного давления и обрушения пород кровли негативно влияет на безопасность труда.
Техническая задача - повышение надежности управления горным давлением за счет более точного формирования свода естественного равновесия в налегающих породах и повышение безопасности труда за счет снижения вероятности динамических проявлений горного давления и массовых обрушений.
Поставленная задача решается тем, что в способе управления горным давлением, включающем проходку подготовительно-нарезных выработок, отработку первичных камер трапециевидного сечения и заполнение их твердеющей смесью с образованием искусственных целиков, формирование массивного рудного целика между искусственными целиками и перераспределение горного давления на искусственные целики частичной отработкой запасов краевых частей массивного рудного целика расширяющимися кверху камерами у искусственных целиков, проведение посадочной выработки в налегающих породах кровли, бурение из нее взрывных скважин в пределах свода естественного равновесия налегающих пород кровли над массивным рудным целиком, полную разгрузку массивного рудного целика принудительным обрушением пород кровли между искусственными целиками на расширяющиеся кверху камеры, создание подпора искусственных целиков обрушенными породами и отработку запасов массивного рудного целика с поддержанием налегающих пород кровли сводом естественного равновесия, опирающимся на искусственные целики и сформированные у боковых поверхностей искусственных целиков в процессе отгрузки отбитой руды подпорные откосы, в соответствии с предлагаемым техническим решением посадочную выработку проходят вдоль оси симметрии массивного рудного целика по контакту с рудной залежью, причем взрывные скважины из посадочной выработки бурят радиально таким образом, чтобы концы этих скважин наиболее точно формировали размеры и поверхность контура указанного свода естественного равновесия в соответствии с расчетным пределом прочности массива налегающих пород.
Проведение посадочной выработки вдоль оси симметрии массивного рудного целика по контакту с рудной залежью позволяет разместить ее за пределами зон повышенной концентрации напряжений, создаваемых при перераспределении горного давления на искусственные целики частичной отработкой запасов массивного рудного целика. Это снижает вероятность динамических проявлений горного давления в посадочной выработке при проведении работ по принудительному обрушению. Кроме того, отпадает необходимость выполнения двух типов посадочных выработок (в известном техническом решении - штреков и рассечек), что дополнительно уменьшает концентрацию напряжений вокруг посадочной выработки и позволяет снизить суммарные затраты на проведение посадочных выработок и бурение взрывных скважин на 10÷12%.
Бурение взрывных скважин из посадочной выработки в радиальном направлении и более точное регулирование длины и углов наклона взрывных скважин позволяет наиболее точно сформировать любые размеры и поверхность контура свода естественного равновесия в соответствии с расчетным пределом прочности массива налегающих пород.
Совместное действие описанных выше отличительных признаков позволяет достигнуть решения поставленной технической задачи - повышения надежности управления горным давлением за счет более точного формирования свода естественного равновесия в налегающих породах и повышения безопасности труда за счет снижения вероятности динамических проявлений горного давления и массовых обрушений.
Целесообразно частичную отработку запасов краевых частей массивного рудного целика расширяющимися кверху камерами у смежных искусственных целиков осуществлять таким образом, чтобы указанные камеры, находящиеся на одинаковых стадиях отработки, образовывали уступный фронт очистных работ.
Это дополнительно уменьшает концентрацию напряжений вдоль фронта очистных работ, снижая вероятность динамических проявлений горного давления и массовых обрушений, вследствие чего повышается безопасность труда.
Таким образом, совокупным действием приведенных признаков обеспечивается наиболее эффективное решение поставленной задачи.
Сущность технического решения иллюстрируется на примере способа управления горным давлением при подземной разработке горизонтальной рудной залежи и чертежами, где на фиг.1 показан вертикальный разрез рудного тела ортогонально направлению продвижения фронта очистных работ (разрез А-А на фиг.2) на момент проведения буровых работ по своду естественного равновесия над крайним массивным рудным целиком; на фиг.2 - план горизонта выпуска (разрез Б-Б на фиг.1); на фиг.3 - тот же разрез А-А на фиг.2 на момент завершения работ по своду естественного равновесия над крайним массивным рудным целиком и проведения буро-доставочных выработок в нем; на фиг.4 - тот же разрез А-А на фиг.2 на момент полной отработки крайнего массивного рудного целика.
Предлагаемый способ реализуют следующим образом.
По рудной залежи 1 (фиг.1) проходят подготовительно-нарезные выработки 2 и отрабатывают первичные камеры 3 трапециевидного сечения (фиг.2) на полную мощность рудной залежи 1 буро-взрывным способом. После отработки первичных камер 3 трапециевидного сечения на всю длину z их заполняют твердеющей смесью с образованием искусственных целиков 4, между которыми формируют массивный рудный целик 5, параллельный фронту 6 очистных работ. Перераспределение горного давления на искусственные целики 4 производят частичной отработкой запасов краевых частей массивного рудного целика 5 расширяющимися кверху камерами 7 у искусственных целиков 4 (фиг.1). Для обеспечения сохранности искусственных целиков 4 предпочтительно производить бурение скважин 8 и их взрывание послойно (фиг.2) с торцовым выпуском и отгрузкой отбитой руды 9.
После перераспределения горного давления на искусственные целики 4 проходят посадочную выработку 10 в налегающих породах 11 вдоль оси симметрии массивного рудного целика 5 по контакту с рудной залежью 1. Из посадочной выработки 10 бурят радиально взрывные скважины 12 в пределах свода 13 естественного равновесия налегающих пород 11 над массивным рудным целиком 5. Взрывные скважины 12 бурят таким образом, чтобы их концы наиболее точно формировали размеры и поверхность контура свода 13 естественного равновесия в соответствии с расчетным пределом прочности массива налегающих пород 11. Для образуемого пролета L свода 13 естественного равновесия (фиг.1) над массивным рудным целиком 5 высота h свода 13 естественного равновесия определится по известной формуле:
h=L/2f,
где f - крепость налегающих пород 11 по шкале проф. М.М.Протодьяконова (f=R/10);
R - расчетное сопротивление налегающих пород 11 сжатию, МПа.
min
Взрывные скважины 12 имеют различную длину. Минимальная длина l будет у вертикальных взрывных скважин 12 (фиг.1):
min
в
l=h-h,
в
где h - высота посадочной выработки 10.
max
Максимальная длина l будет у взрывных скважин 12 над расширяющимися кверху камерами 7:
max
в
2
2
0,5
l=(0,25L-W)-0,5b,
где W - длина линии наименьшего сопротивления;
в
b - ширина посадочной выработки 10.
Угол α между взрывными скважинами 12, соответственно, определится из соотношения α=arctg (W/h).
Затем производят принудительное обрушение налегающих пород 11 кровли между искусственными целиками 4 на расширяющиеся кверху камеры 7, в результате чего достигается полная разгрузка массивного рудного целика 5. Обрушенные породы 14 заполняют расширяющиеся кверху камеры 7 (фиг.3), создавая подпор для искусственных целиков 4. Запасы массивного рудного целика 5 отрабатывают под обрушенными породами 14, после чего в выработанном пространстве 15 остаются сформированные у боковых поверхностей искусственных целиков 4 подпорные откосы 16 (фиг.4) и поддержание налегающих пород 11 кровли производится сводом 13 естественного равновесия, опирающимся на искусственные целики 4 и сформированные у их боковых поверхностей в процессе отгрузки отбитой руды 9 подпорные откосы 16. Для достаточно мощной рудной залежи 1 массивный рудный целик 5 отрабатывают с разделением на подэтажи, бурением скважин 8 и их взрыванием из буро-доставочных выработок 17. После полной отработки массивного рудного целика 5 на всю длину z, фронт 6 очистных работ смещается вправо и цикл операций по управлению горным давлением при подземной разработке рудной залежи 1 повторяется.
Целесообразно отбойку рудной залежи 1 в смежных массивных рудных целиках 5 вести таким образом (фиг.2), чтобы расширяющиеся кверху камеры 7, находящиеся на одинаковых стадиях отработки, образовывали уступный фронт 6 очистных работ. Это уменьшает концентрацию напряжений вдоль этого фронта 6 очистных работ над искусственными целиками 4 на 25÷30%, вследствие чего дополнительно повышается безопасность труда.