Министерство угольной лромышлеикости СССР
ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИИ ИНСТИТУТ'
горной геомеханики и маркшейдерского дела
внимиМЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по определению несущей способности целиков
Ленинград
1972
Министерство угольной промышленности СССР
ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССПЕДОВАТЕЛЬСКИИ ИНСТИТУТ
горной геомеханики и маркшейдерского дела
вними
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по определению несущей способности целиков
Ленинград
1972
2. Основные положения методики определения механических свойств горных пород и несущей способности целиков
При определении механических свойств горных пород указанные в предыдущем параграфе факторы надлежащим образом находят отражение в том случае, если исследования выполняются в полном объеме в натурных условиях. Однако такой путь является чрезвычайно трудоемким. Исследования показывают, что если основные характеристики горных пород определять натурными испытаниями, а характер влияния отдельных факторов устанавливать по исследованиям на образцах в лабораторных условиях и между натурными и лабораторными данными иметь необходимые связи, то на этой основе можно решать подавляющее большинство задач практического определения механических свойств горного массива и несущей способности целиков. Такой путь резко снижает трудоемкость экспериментальных исследований и обеспечивает получение достаточно надежных показателей для расчета несущей способности целиков.
Предлагаемая методика определения несущей способности целиков предусматривает проведение следующих исследований:
1. Изучение однородных пород или слоев, слагающих целики. На этом этапе подлежат определению основные прочностные и деформационные характеристики отдельных слоев в режиме условномгновенного нагружения. Испытания проводятся в натурных и лабораторных условиях. Натурные испытания дают возможность учесть влияние масштабного эффекта и других факторов (влажность, газонасыщенносгь и т.п.), а сопоставление данных натурных и лабораторных испытаний позволяет получить соотношения между ними. По этим соотношениям вожно учесть влияние других факторов (неоднородность, время и т.п.) на прочность целиков по данным испытаний образцов.
Объекты исследований первого этапа, т.е. однородные породы или слои, слагающие целики, подвергаются длительным испытаниям, в результате которых должны быть установлены пределы длительных прочностей и параметры ползучести.Изучение этих характеристик осуществляется лабораторными методами на образцах.
2. Исследование неоднородности горных пород. Изучение производится на неоднородных образцах из горных пород, как на моделях целиков. Установлению подлежат обобщенные основные характеристики, пределы длительной прочности и параметры ползучести для
порол с заданной неоднородностью. Обобщенные характеристики неоднородных пород могут также рассчитываться по соответствующим характеристикам отдельных слоев, если имеются для этого необходимые зависимости. В этот же этап входит изучение прочности целиков, ослабленных выработками.
3. Расчет несущей способности ц е-л и к а в. Прежде всего следует установить характеристики, необходимые для расчета несущей способности целика. Это производится пересчетом данных испытаний образцов (в части длительной прочности, параметров ползучести и т.п.) на соответствующие характеристики массива. Такой пересчет производится по данным о соотношениях характеристик в образце и в массиве, полученных в итоге выполнения работ первого этапа.
Для расчета несущей способности целика заданных размеров, т.е. разрушающей нагрузки на целик, необходимо принять условие прочности. Наиболее часто такой расчет производится по допускаемому напряжению на сжатие. В этом случае принимают эмпирические коэффициенты зависимости прочности на сжатие от соотношения ширины и высоты целика, условий на контактах и других факторов или производится уточнение таких зависимостей для конкретных условий путем испытаний образцов из горных пород.
Для расчета разрушающей нагрузки по теории предельногс равновесия необходимо использовать коэффициенты сцепления, углы внутреннего трения материала целика, а также сцепление и углы трения по контактам с боковыми породами.
В последующих главах излагается методика исследований перечисленных выше вопросов и приводятся результаты исследований в виде Локазателей физико-механических свойств отдельных горных пород или в виде функциональных зависимостей.
Глава II. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОРОДНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
1, Схемы натурных испытаний для определения основных характеристик горных пород
К основным механическим характеристикам, которые должны определяться при условно-мгновенном режиме нагружения, относятся: прочность на одноосное, сжатие кубического блока, модуль деформации, коэффициент поперечной деформации, а также угол трения и коэффициент сцепления. Поскольку в работе расчет прочности целиков ведется по первой теории прочности (теория максимальных главных напряжений), то подробно излагается методика испытаний первых трех указанных выше характеристик. Что касается методики определения коэффициента сцепления и угла внутреннего трения, то по ней даются необходимые ссылки на известные работы.
Определение механических свойств горного массива по результатам лабораторных испытаний пород на образцах обладает рядом известных недостатков, которые обусловлены: а) наличием трещиноватости; б) большей вероятностью отбора проб из более крепких разновидностей и слоев пород, чем из более слабых; в) невозможностью отбора, длительного хранения и испытания образцов из слабых пород; г) изменением свойств пород в образце за отрезок времени от извлечения его до испытания и др. Исходя из этого, следует признать, что основные характеристики однородных слоев должны устанавливаться, в основном, по данным натурных испытаний. Испытания для этих целей можно проводить по трем схемем /б/: 1) на полностью оконтуренных блоках (рис.З.а); 2) на частично оконтуренных блоках (рис.3,6); 3) при одной обнаженной плоскости (рис.З.в). Первые две схемы не имеют принципиальных отличий от соответствующих схем Е.А.Герчикова У2/ и С.П.Ше-ляпина /3/. Третья схема широко применялась Я.А.Бичем /4/ для исследования деформационных свойств угольных пластов в связи с горными ударами.
Теоретически первая схема дает возможность получить необходимые характеристики полезного ископаемого на блоках любого размера, что обеспечивает учет масштабного эффекта, и она свободна от каких-либо недостатков принципиального порядка. При второй схеме одна боковая грань блока не отделяется от массива, что вызывает некоторые погрешности в определяемых показателях, но значительно снижает трудоемкость изготовления блоков. Однако обеим этим схемам присущ тот недостаток, что при изготовлении блока в напряжен-
12
|
Ркс.З. Схемы натурных испытаний:
I - шнуры; 2 - ниша; 3 - плиты; 4 - домкраты; 5 - почва пласта; 6 - индикатор; 7- реперы |
ном горном массиве он может самопроизвольно разрушаться. Размеры блоков при испытаниях по первым двум схемам должны приближаться к полной высоте целика или слоя. Во всяком случае они должны быть достаточными, чтобы в блоке нашли отражение структурные особенности испытуемого массива.
Третья схема испытаний не обеспечивает непосредственного получения показателя прочности при одноосном сжатии. Однако минимальное число обнаженных плоскостей, отсутствие нарушений массива при его подготовке к испытаниям и достаточная площадь, на которой производятся испытания, чтобы учесть структурные особенности массива, дают основание считать,что при натурных испытаниях по этой схеме определяется прочность горногр массива за пределами ощутимого влияния масштабного фактора.
Чтобы выяснить влияние на показатель прочности размера опорных плит при испытаниях по третьей схеме, на шахте 'По-лысаевская-Северная* в Кузбассе были проведены испытания /7/ по угольному пласту П олысаевскому-1 с размерами плит 12x12; 24x24 и 48x48 см. Из результатов опытов видно (рис.4),
что средняя прочность угля при одной обнаженной плоскости при первых двух размерах плит практически одинаковая при третьем уменьшилась всего на 12~14%. Указанные различия не
выходят за пределы ебычных колебаний значений прочности. Это является доказательством того, что при испытаниях по третьей схеме получаем показатель прочности за пределами ощутимого влияния масштабного фактора.
Вычисление прочности угля по натурным испытаниям производится путем деления величины разрушающей нагрузки на площадь нагружения. Таким образом получаем прочность на одноосное сжатие при первых двух схемах испытаний. При испытании по третьей схеме такие вычисления дают некоторую характеристику прочности р при сложном напряженном состоянии. Для определения прочности угля на одноосное сжатие Ц/с можно воспользоваться выражением
v - v
R« “ top О)
если будет известно значение переходного коэффициента top •
Чтобы установить значения переходного коэффициента Voр , были проведены специальные лабораторные эксперименты на моделях из эквивалентных материалов. Опыты проводились на mqhohhthom, нетрещиновагом и на трещиноватом материалах.
Моделирование на монолитном материале показало /6/,что значение top изменяется от 1,49 до 3,22, в среднем составляя 2,46 при отклонении крайних значений от среднего на +32%. Значение top для трещиноватого материала колеблется от 1,92 до 3,23, г.е. находится в тех же пределах, что и для монолитных моделей. Таким образом, по данным моделирования значение top изменяется в пределах от 2 до 3, причем эти пределы сохраняются даже при весьма значительных изменениях прочности материала моделей (в 6 раз) и размеров опорных плит (в 10 раз). Поэтому можно считать, что полученные значения top будут справедливы для широкого диапазона условий, включая угольные пласты.
Проведенные испытания угольного пласта Полысаевского-1 на шахте "Л олысаевская-Северная* в Кузбассе при одной обнаженной плоскости (по третьей схеме) и на полностью оконтуренных блоках (по первой схеме) дают top “3,5-4,5.Несколько большие значения переходного коэффициента при натурных испытаниях, по сравнению с лабораторными, следует отнести за счет нарушений угольных блоков при их нарезке. Естественно, при дальнейших исследованиях желательно уточнить и проверить полученные результаты. Пока же считаем возможным пользоваться значениями переходного коэффициента, полученными моделированием.
2. Методика натурных испытаний
Рассмотрим следующие вопросы: характеристика оборудования для испытаний, выбор мест натурных испытаний, производ-
15
УДК 622.838.5.001.5
АННОТАЦИЯ
В 'Указаниях. . .' изложена методика экспериментального исследования и определения несущей способности целиков.Пре-длагаемая методика дает возможность учесть влияние масштабного эффекта, фактора неоднородности и длительности действия нагрузки. Экспериментальная основа методики и возможность учета перечисленных факторов являются отличительными особенностями настоящей методики исследования и определения несущей способности целиков.
'Укаеания , . / построены на результатах исследований применительно к пологим пластам угля Кузбасса и горючего сланца Прибалтики, но содержащиеся в них результаты методического характера могут найти широкое применение также на рудных н нерудных месгооождениях.
'Указания. . / рассчитаны на инженерно-технических работников шахт, рудников и соответствующих производственных объединений, на работников проектных и научно-исследовательских организаций.
Методические указания составил докт.техн.наух Бублик Ф.П.
ВВЕДЕНИЕ
При подземном способе разработки месторождений полезных ископаемых эффективность применяемых систем, безопасность ведения горных работ и рациональное использование природных ресурсов во многом зависит от правильного выбора размеров целиков различного назначения. Как известно, выбор размеров целиков производится исходя из их несущей способности и действующих на них нагрузок, Q настоящей работе рассматривается только первая часть задачи, т.е. определение несущей способности целиков.
Опыт решения практических задач показывает, что при определении прочности целика в каждом конкретном случае необходимо учитывать влияние многих геологических и горнотехнических факторов, В этом отношении известные теоретические решения имеют ограниченные возможности. Так, методы теории предельного равновесия достаточно подробно разработаны для решения задачи о несущей способности целиков однородного строения и притом в режиме условно-мгновенного нагружения. Между тем, довольно часто возникают задачи определения несущей способности целиков, сложенных слоями разной прочности, определения долговечности целиков, т.е. длительности прочного Их состояния, а также деформирования их во времени. Наконец, исходные характеристики физико-механических свойств горных пород, на основе которых определяется прочность целиков, зависят от масштабного эффекта, обусловливающего изменение механических свойств блока горной породы одинаковой формы при изменении его геометрических размеров, Поскольку теоретические решения не позволяют в настоящее время учитывать перечисленные факторы с достаточной полнотой и достоверностью, был разработан экспериментальный метод определения несущей способности целиков,включающий натурные опыты, лабораторные испытания образцов горных пород и моделирование. Разработанный метод позволяет определять несущую способность целиков с необходимым учетом влияния основных факторов.
Считая, что экспериментальное определение несущей способности целиков при подземной выемке полезных ископаемых необходимо как для практических целей,так и для разработки и совершенствования аналитических решений.в настоящей работе дается изложение и обоснование указанного выше метода. Работа построена на исследованиях лаборатории горного давления на пологих пластах, проводившихся в течение более десяти лет. Основные предложения и разработки, вошедшие в настоящие Методические указания проверены в условиях выемки пологих пластов угля и горючего сланца, а также, частично, на рудных и нерудных
3
месторождениях полезных ископаемых.
Настоящие Методические указания включают: основные положения методики определения несущей способности целиков (глава 1), определение основных механических характеристик однородных горных пород (глава П)# изучение длительной прочности и ползучести горных шзрод (глава Ш), прочность и ползучесть неоднородных пород (глава 1У). определение несущей способности целиков (глава У).
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЦЕЛИКОВ
1. Факторы, влияющие на прочность целиков
Несущая способность целиков зависит от ряда геологических и горнотехнических факторов. Основными из них являются физик о—механические свойства, неоднородность строения и трещиноватость.
Угольные пласты, как правило, сложены слоями или пачками разной мощности, отличающимися не только по своему составу, но и по физико-механическим свойствам. Очень часто между отдельными слоями угля прослеживаются породные прослойки с различными прочностными свойствами, от очень крепких до мягких глинистых, которые в присутствии влаги размокают и приобретают пластические свойства (рис.1).
Еще более характерным свойством угольных пластов является трещиноватость, развитая почти повсеместно. В угленосных породах прослеживается до 12 и более систем трещин, но наиболее ярко выражены из них, как правило, 3-4. Расстояние между характерными трещинами эндогенного происхог ждения составляет от 0,2“0,3 до 15-30 см. По протяженности трещины разделяются на: пересекающие пласт на всю мощность; пересекающие отдельные пачки угля; пересекающие отдельные разновидности угля внутри угольной пачки; локализованные внутри прослоев и линз /1/. Нередко в угольном пласте встречаются перемятые весьма слабые пачки, из которых отбор проб для испытаний в лаборатории невозможен.
Не менее характерно проявление неоднородности на рудных и нерудных месторождениях (рис.2). Для этих месторождений также характерно наличие трещиноватости.
Кроме трещиноватости и неоднородности следует отметить особенности контактирования залежей полезных ископаемых с боковыми породами и характеристику последних. Угольным и другим пластовым месторождениям свойственно наличие четких контактов с боковыми породами. Причем на контактах нередко могут быть глинистые промазки или тонкие слабые слои. Как эго обстоятельство, так и характеристика самих боковых пород, очевидно, могут влиять на прочность целиков.
Условия работы целиков и требования, предъявляемые к ним, зависят также от назначения целиков и применяемой системы разработки. Рассмотрим условия работы целиков при системах разработки с короткими забоями и при системах с длинными забоями.
5
I
2*
N |
|
Р
^ а |
Порода |
0.19 |
|
|
У СОЛЬ т |
|
' *. ‘".' |
74 |
Углистый
рпш |
ом |
|
иол* |
0.79 |
ш |
АпЗролит |
LJ1 |
|
Угол* |
ш |
fpfTFFF |
Аргиллит |
0.78
0.19 |
|
|
Угол* |
14Т4Г-П |
|
Аргиллит |
5.70
0.03 |
|
7* |
Уголь
Аргиллит |
165 |
|
20 |
Уголь |
|
a |
Рис.1. Нормальные колонки угольного пласта III Томь-Усинского месторождения (а) и пласта горючего сланца Прибалтийского месторождения (б)
к
Is |
|
5^
н
15 |
Пород л |
т |
|
370 |
Горючий
сланец |
«г |
|
350 |
II |
)Ь0 |
Извастнян |
ш. |
|
м |
|
ш |
' 1 1 j |
т |
ИзЗостняк |
ом |
|
280 |
Горючий
СЛОНОЦ |
TJT |
|
~щ |
9збестн»к |
0.58 |
£3= |
370 |
Горючий
сланец |
0У8 |
|
65 J |
ИзЗгСтнял |
ОМ. |
-* -i - |
25Р |
Голан еланей |
|
|
(& |
горюч слочец |
Рис.2. Структурная колонка пласта I! Старобинского месторождения калийных солей (а) и медно-никелево месторождения Печенги (б)
li
Чередованы? про eject си я ев и кита и каченной сани свела чеки ем прослойков глины
Чередование прослоев, сильвинита и кошенной соли с Включением прослойков глины jo /вот
I.
!! |
|
ft
u |
Порода |
1.2 |
V
V V V s/ V/ V
V v v ✓ V V
у/ V V
V V |
|
Оруденелые
серпентиниты |
3.9 |
$ $ у
у ^ у V |
2W |
Серая руда |
гм |
0*0
C°
<CD
§>cP
° о |
$00 |
ЬрекчиеВая руда |
0.5 |
|
|
Орудснслые филлит ь» |
0.3 |
dCd о |
1060 |
брекчиевая руда |
Первая из этих групп систем разработки характеризуется, как известно, тем, что управление кровлей осуществляется с помощью целиков полезного ископаемого. Ширина очистных выработок выбирается исходя из устойчивости непосредственной кровли. При недостаточной устойчивости последней применяются легкие виды крепи. К этой группе относятся такие известные системы разработки, как камерная, камерно-столбовая,коротких столбов, камер-лав и др.
При камерной системе разработки междукамерные целики должны обеспечивать такой характер сдвижения основной кровли, при котором в необходимой степени и в течение заданного времени сохранялась бы устойчивость кровли в камерах.В отдельных случаях междукамерные целики должны гарантировать безопасность охраняемых объектов на поверхности в течение длительного времени. Из этого следует, что срок службы меж-дукамерных целиков может исчисляться от нескольких суток или месяцев (например, при буро-шнековой выемке гонких пластов) до нескольких лег и даже десятилетий (в случае сохранения особ» ответственных сооружений на поверхности или при специфических особенностях полезного ископаемого-соляные месторождения).
При камерно-столбовой системе разработки предусматривается выемка с полным обрушением кровли. Принятый размер целика-столба должен обеспечивать управление основной кровлей, а для управления непосредственной кровлей при погашении столба оставляются так называемые подзавальные целики. Срок службы целиков-столбов исчисляется сутками, а под завальных целиков-часами.
При системе разработки камерами-лавами назначением целиков, оставляемых между камерами, является обеспечение плавного оседания основной кровли и всей толщи пород до поверхности. Управление непосредственной кровлей полностью осуществляется крепью. В этом случае устойчивость целиков должна сохраняться в течение месяцев и даже нескольких лет. Важное значение имеет также характер деформирования целиков во времени, с тем чтобы происходило плавное оседание подработанной толщи без разрушений целиков вблизи действующих очистных забоев.
Переходя к группе систем разработки с длинными забоями, прежде всего следует отметить, что при этих системах управление кровлей в очистных забоях осуществляется полным обрушением, частичным обрушением или полной закладкой с применением соответствующих крепей для поддержания призабойного пространства в безопасном состоянии. При этих системах разработки целики оставляются только для защиты подготовительных выработок. Поскольку на такого рода целики развивается большое давление, го их прочные размеры могут быть
весьма значительными. Поэтому при выборе размеров таких целиков иногда допускают их частичное разрушение. Так, прч выемке длинными столбами пласта средней мощности целик между откаточным штреком вышележащего подэтажа и вен гг-ляционным-нижележашэго подэтажа должен быть в прочном состоянии до отработки вышележащего подэтажа. Однако пр* выемке данного подэтажа можно допустить частичное разрушение целика, в таком состоянии в сочетании с усилением кропи штрека, он должен обеспечивать удовлетворительное под* держание последнего. При подобного рода условиях, задаваясь размерами целиков, исходя из допустимого уровня потерь полезного ископаемого и экономически целесообразных затрат на поддержание, необходимо установить характер деформирования целика после разрушения и его несущую способность в стесненных условиях для того, чтобы правильно выбрать сопрэ* тивление и податливость крепи охраняемой выработки.
Более сложными оказываются схемы подготовки, развития горных работ и поддержания подготовительных выработок при выемке мощных пологих пластов системами разработки наклонными слоями и комбинированными. Принципы защиты подэтажных и других аналогичных подготовительных выработок и здесь остаются такими же, как и при выемке пластов средней мош-носги, а условия работы целиков-сходными. Некоторыми особенностями целиков на мощных пластах являются неодинаковая ширина или ступенчатость на разных уровнях по их высоте и ослабление целиков выработками.
Кроме целиков, предназначенных для зашиты подготовительных выработок, при разработке месторождений полезных ископаемых оставляются различного рода барьерные целики (противопожарные, для защиты от прорыва воды и т.п.), ером службы которых исчисляется годами и десятилетиями. Они также должны приниматься из условия их прочного состояния.
Из краткого обзора назначения и условий работы целиков при некоторых схемах очистной выемки следует, что сроки службы целиков изменяются от нескольких часов до десятков лет и даже требуется, чтобы они обеспечивали поддержание подработанной толщи пород или служили барьером неограниченно длительное время.
Таким образом, при установлении прочностных и деформационных свойств полезного ископаемого, необходимых для определения несущей способности целиков различного назначения, необходимо учитывать следующие основные факторы:
1) трещиноватость горного массива, которая является основной причиной проявления масштабного эффекта; 2) неоднородность строения и разнопрочноегь слоев, слагающих полезные ископаемые; 3) длительность воздействия нагрузки или срок службы целиков; 4) возможное ослабление целиков.
9