м

ШШЖ етодические указания по оценке устойчивости обнажений в массиве и условий образования провалов на поверхности в Криворожском бассейне

Белгород 1984

МИНИСТЕРСТВО ЧЕРНОЙ МЕТШУИЕИ СССР Управление горного производства

Вовоовэный иаучно-воодедовательоквй, конотруктороко-твхнологическиП и проектно-изыскательский ияатвтут по ооушенив меотороадений полезных ископаемых,специальным горным работам.рудничной геологии и маркшейдерскому делу В И О Г Е М

УТВЕРЛДДЮ:

Директор внотвтута И.Ф.0коанич

26 марта 1984 г.

МЕШИЧЕСШ УКАЗАНИЯ ПО aim® УСТОЙЧИВОСТИ ОБЩЕНИЙ в массиве и условий ОБРАЗОВАНИЯ ПРОВАЛОВ НА ШЖИНООТИ В КРИВОРОЖСКОМ БАССЕЙНЕ

Белгород 1984

Рис. 2. Сводный графил ус лови! образования провалов в устойчивых обвале ни!: I - ярава$, равдадышая гаоахое устойчивое обнажение от сводообразного, отвечать* анфффззд функции q - I • ХСГ3; 2 - кривая, раздедягщая сводообразное устойчиво# обидой** от уоховай образования провалов, отвечали* значениям функций q ■ I • I(Г2; 3 - по HJLPiBHBHy; 4 - по В.И.Кузьшиу

критерием обрушения о выходом воронки на поверхность (если позволяет кратвооть подработки).

2.9.    Граничная кривая I ооглаоно формуле (I) отвечает значению q в I • 1СГ³. Это значение q являетоя критерием устойчивого плоского обнажения, исключающим обрушение поверхности.

2.10.    Количественным критерием оводообразного обнажения, обес

печивающим долговременную устойчивость и исключающим выход обрушения на поверхность в течение 20-25 лет, являетоя    q а 3 • 10 .

2.И. Для конкретной оценки состояния обнажения выработанного пространства (пустоты) по формуле (I) необходимо определить: глубину горной выработки Н - расстояние от верхней границы цуототы до наносов, м; средневзвешенное значение крепости пород f_cp по вертикали от оерединн пролета выработанного пространства; пролет обна -мнил ь , и; при этом второй размер обнажения 1 должен более чем в два раза превышать пролет L , в противном случае раоочитываетоя эквивалентный пролет ь_э по формуле (3):

(3)

Для кдгтопадащих залежей ( <*х45°) в качестве размера выработки по падению следует принимать среднее значение между его фактической величиной и проекцией на горизонтальную плоскость ооглаоно формуле (4)

^LOp • ~jf“ ( ¹ + 0080С ),

2.12. В таблице приведены возможные случаи сочетания критериев q, кратности подработки к и ожидаемый конечный результат.

2*13. Для оценки уотойчивооти обнажения в течение первых трех лат о момента его образования следует пользоваться критерием обрушена* -•« I • 1CГ*. Условие долговременной уотойчивооти обнажения на срок 20 лет оценивается по критерию q_Rp * 3 • КГ³. Критерий « !• КГ⁸ характеризует плоское устойчивое обнажение, нв ограниченное во времени.

2.14.    Вероятное время выхода обрушения на поверхность (воли оно обусловлено кратвооть») определяется по пунктирной линии графика (рис. 3) на основе расчетного значения q • Значительный равброо фактических данных в пределах полоса, ограниченной кривыми I и 2, объясняется неучтенным влиянием тектонических нарушений и других второстепенных факторов.

2.15.    Зона возможного обрушения пород в маооиве и ворешеообразо-

Расчетное еначвние	Кратнооть подработки	Ожадаемый результат
ы • юг3	Цра любой кратности	Устойчивое пдоокое обнажение, обрушение поверх-нооти исключается
I • 1СГ^ч«3 «кг3	К *10	Уотойчивое обнажение,обрушение поверхности исключается
I • I(rl q-3 • 1CГ3	К-,10	Уотойчивое обнажение, обрушение исключается на орок не менее 20 лет
3 • I0“iq=5 .ДГ3	К*Ю	Уотойчивое оводообраеное обнажение, обрушение локализуется, в массиве.поверхности не достигает
3 • ш4<ж5 • 1СГ3	к«га	Устойчивое оводообразное обнажение на орок не ме-нео 10 лот, затем возможен провал
5 • ЛПк«1 • 1Cг2	к*ю	Уотойчивое сводообразное обнажение, обрушенио локализуется в маооиве и поверхности не достигает
5 • I0"3qal • ИГ2	К<10	Устойчивое сводообразное обнажение на орок но менее трех лот, затем возможен провал
q >1 • Ю"2	Кз> 15	Обнажение неустойчивое, возможно значительное оседание поверхности без провальною обрушения
q >1 • пт2	Г0< К< 15 о£=г 45°	Обнажение неустойчивое о выходом воронки обрушения на поверхность в течение года
q>I. 1СГ2	* КтЮ	Обрушение поверхности в течение года

вания на поверхности для верхних горизонтов (0-200 м) определяется углами V» 85° от границ выработки,

2,16. Для нижележащих горизонтов (200-600 м) зона обрушения со отороны виоячего бока ограничивается углом 9 = 90°- d сове/ , а со отороны лежачего бока - углом v = 85° от верхней граница выработанного пространства.

12

2,17,При разработке залакей на глубине более 600 м выходов воронок обрушения на поверхность в Кривбаоое не эаовадетедьотвовг.но,

3. ПРИМЕРЫ КОНТРОЛЬНЫХ РАСЧЕТОВ

3.1, Рудник имени Коминтерна, пустота по 139 оои

Штокообразная валень на глубине 300 м отработана в 1967-1965гг. (рио.4). Выработанное пространство чаотвчно заполнено обрушенными породами висячего бока и 8акдддочным материалом.

По результатам оъемки 1968 г. верхний контур камеры сохраняет устойчивую форму о момента отработки в 1957-1959 гг. Цуотота общим объемом 800 тыо. м⁸ сохраняет овое устойчивое ооотояние и в настоящее время (1983 г.)*

Горно-геологические уоловил залежи:

глубина горной выработки по коренным породам, Н, 280 м|

угол падения залежи, сС , 65°;

вертикальная мощность, , 68 м;

оредняя крепооть пород, f_cp , К);

раамер пустоты по проотираяню, 1 , 80 м;

раэмер обнажения по падению, L , 100 м;

Иоходя из кратнооти подработки (К =н/ш₆ «4,1) обрушение,воли оно произойдет, выйдет на поверхность.

Для оценки устойчивости обнажения в данных условиях (<£»4б° ) рассчитывается средний цродет по падению по формуле (4):

1»₀р"    (    1    + oood ) и ( 1 + 0,42 ) •» 71. м

и эквивалентный продет обнажения по формуле (3):

\1    71    х 80

и_л я    _м    —..... ■    ■    ,    «    51    М.

V    УТГГ^

Расчетное значение критерия ^ по формула (I) *.

4 -     ~- ------- 0,24*1 о""**,

1 + ( т , )°*^5,СР    1 + ( 280/53 )⁵

что в 4 раза меньше критического значения для плоокого устойчивого состояния:

Разрез по оси 139 Вертикальная проекция

Рио. 4. Горно-геодоготеокие условия гшоокого уотойчивого обнажения на руднике им. Коминтерна

Таким образом данное обнажение оценивается как плооное, обеопе-яявапщее устойчивость наработки неограниченное время.

3.2, Рудник имени Коминтерна, вахта "Октябрьская*, обрушение 1954 г. по 48 оои

Эваежь"Основная"на глубине 260 м отработана в 1947-1956 it.Провал в районе 48 оои вышел на поверхность в карте 1964 г. ив-под безруднаго целика, ооовдние учаотки отработаны в 1938-1940 it. о выходом обрушения на поверхность (рво.5). В в тих уоагамх шаооив

16

Ш 622.831

В настоящих указаниях издою а метод оценке устойчивости обна -пений в условия образования провалов в зависимости от ооновных горяо-геологиче свих уоловий залегания в разработки рудннх залежей. Установлены Г)критерии устойчивости и возможное время выхода во -редки обручения на поверхность.

Работа ооотавлена канл.твхн.нвук А.Г.Шадриным, старшим инжене -ром А.В. Сазоновым и утверждена оакцией НТО по специальным горным работам» геомехаиике и маркшейдерокому деду в качестве методичео -них указаний.

Указания рекомендуется для инженерно-технических и научных работников.

■ МММ» ймтимцои! яиопггут по ооушенлю месторождений полезных ■ОИЙИ>Щ|С1— ЩЫМ горным работвм.руаижчной геология и меркшейдер-свому ему СВМОГВМ). 1984.

изданиЕ

Действующими Правилами охраны в Криворожском бассойно [з] зона обрушения земной поверхности определяется углами воронкообразевания, а уоловия образования первичных воронок - по расчетному' коэффициенту разрыхления. Вторичные воронки определяются по условию кратности: отношение глубины горных работ к вынимаемой мооцюоти по вертикали не должно превышать 15. Однако в практике разработки месторождений наблюдаются случаи, когда при наличии этих условий обрушение не происходит, а имеет меото уотойчивое обнажение.

Количеотво пустот продолжает увеличиваться на рудниках Крив -баооа и ооздает поотояняую угрозу внезапного обрушения пород о образованием воздушного удара в шахте. Большую опасность представляет внезапное обрушение поверхности. В таких случаях веоша важно уметь количественно оценить устойчивость обнажения, определить за-пао устойчивости, знать примерное время возможного обрушения по -ворхдооти. Эти вопрооы не были отражены в Правилах 1975 г.

В лаборатории сдвижения горных пород Криворожского отделения института ВШ1ЕМ ведетоя систематизация оцучасв п анализ фактической документации по условиям образования провалов и уотойчивых обнажений на месторождении. По результатам этих последований предложены новые критерии оценки уотойчивооти обнажений, уояовий и времени образования провалов,

Наотоящио указания являютоя обобщением этих исследований.В работе яоподьзоваш такне результаты обобщений И.Д.Ривкина, I3.M.Кучера [4] и В.Н.Кузьгшш [2] _f

В приведенных рисунках, таблицах и формулах приняты оледуидие обозначения:

н - глубина горных работ без наносов, м;

н₀ - раоотояние от центра выработки до контакта о наносами по линии угла максимального оседания 0    ,    м;

L - пролет выработанного пространства (размер по падению), ы; ь₉ - эквивалентный пролет выработанного пространства, м;

1    - размер выработанного пространства по проотиранию, м;

m - мощность рудного тела, м;

т₆ - вертикальная модность рудного тела, м;

ю_/-5.- мощность слоев вмещавдих пород, м;

h - средняя мощность опоев пород висячего бока, ы;

3

£    -    кратнооть подработки;

*    -    ковффицяент крепоота горных пород по М.М.Протодьяконо-

ву;

*_ср - средневзвешенное по ^ощнооти значение коэффициента крепости пород!

t - угол обрушения пород, градуо;

-    угол падения рудного тела, градуо;

о - угол максимального оседания поверхности, градус;

q - относительная величина отрелы прогиба пород подработанного маооива на уровне земной поверхности;

-    критическое значение отрелы прогиба;

п - параметр, характеризующий структуру массива о точки эрения опоообнооти его к одвижению и обрушению.

i. авдщз оджзвшя

I Л. Раэработка мрут опадающих 8алежей чаото сопровождается уо-тойчишм обнажением пород кровли, Уотойчивое пдоокае обнажение обычно имеет место в крепких монолитных вмещающих породах, когда отношение н/ь>-3. Обнажение в этих олучаях оохраляет первоначальную форму кровли выработанного пространства.

1.2.    Сводообразное уотойчивое обнажение формируется в более слабых породах и при меньших соотношениях H/L, Первоначальная плоо -кооть кровли выработки в этих уоловаях постепенно припишет форму еотеотвенного овода, которая и обеопечивает уотойчивое равновесие.

1.3.    По мере развития очиотных работ по проотиранию и в глубину размеры обнажения увеличиваются и происходит обрушение пород о выходом воронки на поверхность.

1.4.    По механике образования и закономерностям проявления одо-дует выделить два типа воронок обрушения;

а)    воронки, образующиеся при первичной разработке залежей;

б)    вторичные воронки, образующиеся над участками повторной разработки руд. Пооледние проявляются в течение года о момента выпуска руда, по вертикали над выработкой. Зона воронкообразования в этом олучае определяется утлыми у = 85°, откладываемыми от границ участка повторной разработки на выемочном горизонте. Устойчивых обнажений при этом не образуется.

Дальнейшее изложение каоаетоя только обрушений а уотойчишх обнажений, образующихся пры первичной разработке руд,

1.5.    Образование уотойчишх обнажений Я обрушений зависит от сочетания оледующих основных факторов:

а)    формы и размеров выработанного пространства?

б)    глубины залегания очистной выработки;

в)    физико-механических овойотв вмещающих порода

г)    структурных оообенноотей подработанного маооива и геологи -ческой нарушенпооти;

д)    вынимаемой мощности валена и угла падения вмещающих пород;

е)    наличия сближенных отработанных залежей;

ж)    оиотемы разработки.

1.6.    В зависимости от конкретного сочетания этих герно-геоло -гических факторов процесс обрушения может не проявляться codoqm (плоское устойчивое обнажение ),ограничиться устойчивым оводом,про-явиться на поверхности в виде воронок обрушения или полностью

локализоваться в массиве га очет разрыхления обрушенных пород.

1.7.    Разработка крутопадащ.:х .валекай на верхних горизонтах (0-200 м), как правило, оопровоадаетоя появлением обрушений на участке выхода галеки на поверхность (под наоооы).

1.8.    Последовательная отработка нижележащих горизонтов залежей проотиранием более 400 м без оставления значительных целиков в выработанном пространстве способствует массовому сдвижению пород висячего бока о образованием общей воны одвижения, оконтуренной трещинами,

1.9.    Наличие беэрудах целиков препятствует этому процеооу и способствует образованию пуотот в поодэдущих возможных воронкообразных обрушений оо значительной задержкой во времени.

1.10.    Чаотота выхода воровок обрушения о глубины 200-400 м снижается в 2-3 раза по ораввеяию о верхними горизонтами и сопровождается задержкой во времени на 2-3 года.

I. II. Последовательная отработка облаженных залежей способствует выходу сквозных обрушений о глубины 400-500 м.

1.12.    Активное ооеданве земной поверхности по всей подработанной площади свидетельствует о хорошем заполнении выработанного пространства породами висячего бока, В атом случае воамохнооть появления воронок обрушения на земной поверхности практически иск -лючаетоя.

1.13.    С переходом горных работ на глубокие горизонты (500-60Q м и ниже) качественно меняется атома сдвижения горных пород. Пере -пуск обрушенного материала и выход воронок па поверхность в этих условиях возможен только при большой вынимаемой мощности и весьма крутом залегании рудного те® (<4»6СР), При разработке на таких глубинах шмо то образных залежей о утлом падения менее 60° выходы воронок обрушения на поверхность не зафиксированы. Заполнение выработанного пространства в этом о луча е происходит за счет массового сдвижения пород висячего бока.

1.14.    Основными определявшими факторами процесса сдвижения и обрушения горных пород являют он глубина и размеры выработанного пространства, фивико-мехвничеокие овойотва вмещающих пород. Обрушение вемной поверхности происходит при определенных отношениях глубины горных работ Н к пролету обнажения L . Под пролетом выработки понимается меньший из дцух размеров выработанного пространства в плоокооти залежи (рисЛ).

1.15.    Для оредних условий Кривбаооа ( 1о_Р =» 8-10,= 50 м)об-рушение поверхности происходит при соотношении . н/L < 3,5. С уве-6

Рио. I. Схемы к определению раочетных параметров

личением крепооти и монолитности пород критическое значение пролета увеличивается и обрушение выходит на поверхность при мень -ших соотношениях, например, при H/L>2,5. С уменьшением крепооти пород имеет место обратное явление и уодовие образования обрушений определяется соотношением Н/Ь<4.

I.I6. Трещиноватооть и тектоническая нарушеннооть в подрабо -тайном масоиве активизируют процеоо одвихения и опоооботвуют появлению воронок обрушения на учаотке выхода нарушения под нанооы.

I* 17. При наличии крупного тектонического нарушения в непоо -родственно подработанном мцооиве уоловия и время образования провалов на поверхности не поддаются количественной оценке. В этой случав учаоток выхода нарушения на поверхность характеризуется кок зона возможного внезапного обрушения.

7

1.18.    Отработка верхних горизонтов оопровоэдеетоя ресодоением в разрыхлением подработанного маосева₍ поэтому отработка нижележащих горизонтов приводит к более активной? одвижению и обрушение пород висячего бока.

1.19.    Маоооаые верьшы на участке подэемных работ или на поверхности в карьере опобоботвуют обрушению обнажений и выходу воронки на поверхность.

1.20.    Обрушение горних пород сопровождается разрыхлением и увеличением их в объеме, поетоцу при вынимаемой мощнооти, недостаточной для компенсации этого увеличения объема, происходит оамопедбу-чивание обнажения и докаЛивадия обрушения в маооиве.

1.21.    Коэффициент раэрнхлеявя не поддается надежному опредеде -нию в каждом конкретном о луча в, поэтому для оценки влияния вынимаемой мощнооти иопользуетоя кратность подработки к . н / m_d [3]. Критерием ввхеда воронки обрушения яа поверхность по кратно от и является КтЮ джя пологого и наклонного залегания и к «с 15 ддя кру -того падения (**45°).

1.22.    Обрушение пород развивается по вертикали над выработкой. Отклонение от вертикали в сторону виоячего бока залежи обгоняется наклоном завив и внецащих пород, слоистостью мвооива, наличием по оооедотву глубоки, карьерных выработок. Отклонение от вертикали, вызванное ояоиотоотыз маооива и наклоном плоскости залегания пород сС , ве вшэдвт аа пределы угла е » который вычисляется по формуле

3 ш 90* - ЫооиаС    (D

и откладавветея от середина выработки в сторону виоячего бока (ом.

pro Л)»

1.23.    Ними o^fMil во времени эавионт от соотнесения н/ьв крепости пород t . Щш еоотноиенвях н/ь<2 воронки обрушения по -являются в течешее верм* трех лет после образования пуототн. При значениях н/ъ>2 время вкшда обрушений на поверхность зависит от крепости пород ■ отдгвтурк массива и достигает &-I0 и более лет,

2. (ЩИД УСТСЙЧЮЮСГЙ ОШХШЙ И УСЛОВИЙ

стздвмя провалов

2Л. Эмпирнчеокой ооновой методе оценки устойчивости обнажений в условий образования провалов является обойцащий график (рис. 2), где в зависимости от крепости пород г_ср и ооотноше-

ния h/l представлены фактические случая обрушений я устойчивых обнажений в уоловиях Криворожокого и других рудных месторождений.

2.2.    Количественное значение функции q для кривой 2, отделяющей зону образования провалов от устойчивых сводообразных обна -женнй, составляет I • 1СГ². Для кривой I, выдаяяадей случаи плоского устойчивого обнажения, зто значение равно I • I(Г³.

2.3.    Пользуясь графиком (см.рио.2), можно оценить оостояние конкретной пустоты, если определить ее положение в ооях координат т_ср ин/ь. Положение точки в зоне плоокого уотойчивого обнажения (между ооыо f_opH кривой I) исключает воаможнооть выхода обрушения на поверхность. Положение точки в правой отороне графика (между кривой 2 и осью h/l ) говорит о том, что обнажение неустойчивое и следует ожидать выхода обрушения на поверхность, воли позволяет кратность подработки.

2.4.    Промежуточная 8 он а (мозду кривыми I и 2) отвечает оводооб-разному устойчивому обнажению, как промежуточному соотоянию между уотойчивым плоским обнажением и сквозным обрушением пород до поверхности. Время развития процеооа обрушения в этом олучае ват -сиг от конкретного сочетания горно-геодогвчвоких факторов и может ооотавить от 5 до 10 лет и более, а в отдельных благоприятных условиях овод сохраняет свою устойчивость неограниченное время.

2.5.    Для количественной оценки устойчивости обнажения воноль -зуетоя расчетная относительная величина отрелы прогиба q над пролетом ь обнажения тодци перекрывающих пород Н крепостью f_cp (см. рис.I).которая определяетоя функцией.

_/

■1 + ( H/L )^п

2.6.    Для одоиотого маооива в уодоваях первичной подработки, и отоутотвия тектоничеокдес нарушений параметр n « 0,5f_cp , где т_ср-средневзвешенное (по мощнооти) аначение крепооти пород по М.М. Протодьяконову.

2.7.    При наличии тектонических нарушений, пересекапдих подра -ботанный массив, параметр п = 0,5 f_op уменьшается на одну треть (n = 0,33f_cp ), Наличие верхних отработанных горизонтов, вызвав -ших одвижение поверхности, следует учитывать при оценке уотойчиоо-оти пуотот на нижележащих горизонтах путем уменьшения параметра п также на одну треть. При суммарном влиянии этих двух факторов расчетное значение параметра п не должно быть менее 0,25f_op .

2.8. Граничная кривая 2 на графике (ом.рис. 2) отвечает рас -четному значению ч - I • 10“** по формуле (2) и явля лся первым