Предохранительные целики

Наиболее надежной мерой защиты и охраны объектов и сооружений от вредного влияния подземных горных разработок (но подчас наименее экономичной) является оставление предохранительных целиков.

Установление оптимальных размеров предохранительного целика представляет собой сложную и ответственную инженерную задачу. Известны случаи, когда целики недостаточных размеров вызывали большие повреждения сооружений, чем отработка запасов без оставления целиков.

Вместе с тем оставление излишних запасов в целиках ведет к неоправданным потерям полезного ископаемого и наносит значительный ущерб народному хозяйству.

Оставление целиков существенно нарушает технологию добычи полезного ископаемого и ритм работы горного предприятия. Особенно это ощутимо при высокой степени механизации добычных процессов, так как переход горных работ через оставляемый целик связан с увеличением непроизводительных монтажных работ.

Вообще предохранительные целики оставляют под сооружениями только в тех случаях, когда другие меры охраны технически невыполнимы или нецелесообразны по технико-экономическим соображениям.

В соответствии с «Правилами охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. М, Недра, 1981, 288 с.» целики оставляют при ведении горных работ выше горизонта уже упоминавшейся “безопасной” глубины, определенной на основе опыта или расчета для различных видов сооружений в зависимости от их назначения, конструктивных особенностей, размеров, технического состояния, установленного оборудования и т. д.

При оставлении предохранительных целиков предусматривают, как правило, не полную защиту сооружений, а только защиту их от разрушительных деформаций, т. е. при этом сооружения должны попадать за пределы опасной зоны мульды сдвижения (рис. 12.4), определяемой углами сдвижения. Для особо ответственных сооружений, в том числе для глубоких (свыше 600 м) вертикальных стволов шахт, целики строят по граничным углам.

Рис 12.4. Определение границ опасной зоны мульды сдвижения.

1 — мульда оседания, 2 — график горизонтальных деформаций, 3—охраняемый объект.

Под построением целиков следует понимать определение границ, до которых можно вести горные работы, не вызывая недопустимых повреждений в охраняемых объектах или прорыва воды в горные выработки.

Обычно границы предохранительных целиков определяют на вертикальных разрезах линиями пересечения почвы пластов с плоскостями, проведенными под углами сдвижения (или граничными углами) через границы охраняемой площади. При определении границ охраняемой площади контур объекта ограниченных размеров в плане заменяют описанным прямоугольником, стороны которого параллельны направлениям падения и простирания пласта (на рис. 12.5 прямоугольник абвг). Такое направление сторон прямоугольника обусловлено тем, что углы сдвижения в «Правилах охраны сооружений...» задаются по простиранию и падению пласта (залежи).

Рис12.5.Построение предохранительного целика способом вертикальных разрезов.

I — разрез вкрест простирания пласта, II — разрез по простиранию пласта; III — план.

Параллельно сторонам полученного прямоугольника строят предохранительную берму, внешние границы которой являются границами охраняемой площади (на рис. 12.5 прямоугольник а'б'в'г'). Берма обеспечивает некоторый запас надежности охраны объектов с учетом погрешности определения углов сдвижения. Размеры берм принимают в зависимости от значимости (категорий) объекта и его чувствительности к деформациям земной поверхности.

Так, в “Правилах охраны сооружений...” ширина бермы для вертикальных шахтных стволов, в том числе и слепых, принимается равной 20 м, для шурфов — 10 м, для технических скважин глубиной более 500 м — 15 м, для скважин глубиной менее 500 м — 10 м. Для зданий и сооружений ширина бермы определяется по табл. 21.3 в зависимости от допустимых деформаций или категории охраны объекта.

Параметры берм.

Таблица 12.3

Примечание: Если для сооружения по допустимым деформациям [e_д] и [i_д] получаются различные размеры берм, то в качестве окончательного значения принимается наибольшее.

При значительных размерах и сложной конфигурации охраняемых объектов построение целика производится по характерным точкам охраняемого контура. Для каждой из этих точек построение целика разрешается производить любым из известных способов.

Полученные в результате построения внешние точки целика соединяют общей линией, которая является границей целиков.

При построении предохранительного целика для подземной выработки охраняемая площадка располагается выше кровли выработки на расстоянии h =2а, где: а - ширина охраняемой выработки.

Построение предохранительных целиков для объектов ограниченных размеров.

Построение предохранительных целиков производят графически или графоаналитически на планах, разрезах и проекциях на вертикальную плоскость в масштабах 1:2000 и крупнее. При этом применяют в основном следующие способы:

* вертикальных разрезов (сечения),

* перпендикуляров,

* проекций с числовыми отметками (изолиний).

При построении целика по способу вертикальных разрезов вокруг охраняемого объекта строят контур охраняемой площади. Затем через центр этого контура проводят оси O₁O₂ и O₃O₄, параллельные линиям падения и простирания залежи (пласта), и по ним строят разрезы (см. рис. 12.5). На разрезы проектируют границы охраняемой площади (точки а, б, в, г) и от этих границ под углом сдвижения j в наносах и b, g и d в коренных породах проводят линии до пересечения с почвой залежи (пласта). Точки пересечения этих линий с почвой залежи (точки А, Б, В и Г) являются границами предохранительного целика в направлении построенных разрезов. Полученные границы целика, спроектированные с разрезов на план и соединенные между собой, образуют в общем случае искомый контур предохранительного целика на плане (трапеция АБВГ). В тех случаях, когда горизонтальная линия, проведенная на уровне безопасной глубины разработки на разрезе вкрест простирания, пересекает целик, нижней границей целика является линия пересечения горизонта безопасной глубины с почвой залежи (линия ДЕ).

В последние годы в связи с совершенствованием методики определения допустимых деформаций для различных объектов появились способы построения предохранительных целиков по допустимым деформациям. При этом построение целиков производят следующим образом.

По действующим нормативным документам или рекомендациям специалистов (строителей, технологов и т. д.) устанавливают виды и значения деформаций, от которых надо защищать данное сооружение. Так, например, для сооружений башенного типа опасными являются наклоны, для подземных (бетонных) резервуаров воды — растяжения и т. д.

Построение целика сводится к определению границ горных работ, при которых деформации земной поверхности в районе охраняемой площади не превысят допустимых значений. Местоположение этих границ определяют расчетным путем или по номограммам, на которых деформации земной поверхности изображены в изолиниях.

Номограмму, построенную для условий полной подработки и выполненную на кальке, накладывают на разрез так, чтобы лава на номограмме совмещалась с почвой залежи на разрезе, а изолиния номограммы с отметкой e_доп/m или i_доп / m (где e_доп и i_доп — соответственно допустимые для объекта горизонтальные деформации и наклоны; m — вынимаемая мощность залежи) проходила через границу охраняемой площади. Граница лавы, ближайшая к охраняемой площади, будет являться искомой границей предохранительного целика на данном разрезе (рис 12.6).

Рис.12.6 Определение границ предохранительного целика по допустимым деформациям с помощью номограммы горизонтальных деформаций.

1 - охраняемый объект; 2 - изолинии горизонтальных деформаций растяжения, 10^-3; 3 - предохранительный целик; 4 - выработанное пространство.

Построение целиков под вытянутыми объектами.

К вытянутым объектам относятся линии железных дорог, трубопроводы различного назначения, реки, каналы, наклонные шахтные стволы, квершлаги и другие подобные объекты, пересекающие шахтные поля на значительном протяжении.

При построении предохранительных целиков под такие объекты наиболее часто применяют способ перпендикуляров и обычно в такой последовательности (рис. 12.7):

Рис 12.7. Построение предохранительного целика под вытянутый объект (железную дорогу).

1—охраняемый объект; 2 — охраняемый контур на поверхности (с учетом бермы); 3 — охраняемый контур по контакту наносов с коренными породами; 4 — границы целика;5 — выход пласта под наносы; 6 — изоглубины пласта.

а) по допустимым деформациям или по категории охраны сооружения устанавливают размер бермы, с учётом которой строят контур охраняемой площади на контакте наносов с коренными породами, линии контура должны быть параллельны сторонам охраняемого объекта;

б) охраняемый объект разбивают на ряд прямолинейных участков и для каждого из них определяют угол q_n, т. е. острый угол, составленный осью объекта с простиранием пласта;

в) из середины прямолинейных участков восстанавливают перпендикуляры и в местах пересечения их с охраняемым контуром на контакте наносов с коренными породами (в точках а, б, в, г, д, а', б', в', г', д') определяют глубины залегания пласта Н_n;

г) по найденным значениям угла q_n и глубины Н_n по соответствующим таблицам или номограммам “Правил охраны...” определяют длину перпендикулярных отрезков q_n и l_n;

д) от границ охраняемой площади на контакте наносов с коренными породами (от точек а, б, в, г, д, а', б', в', г', д') откладывают в масштабе плана перпендикулярные отрезки q_n и l_n, концы которых соединяют затем плавными кривыми, являющимися боковыми границами предохранительного целика (верхней границей является обычно выход залежи под наносы, нижней — горизонт безопасной глубины).

Если в результате построения предохранительный целик для диагонально расположенного вытянутого объекта в нижней части будет иметь острый угол, то последний рекомендуется срезать по линии падения пласта с таким расчетом, чтобы высота целика по линии среза в плоскости пласта была не более 40 м (отрезок MЛ=40 cosα). В этом случае целик оптимальных размеров ограничивается контуром аа'Б'В'Г'КЛМГВБ.

На рис. 12.8 приведён пример построения целика под железную дорогу (объект I категории) в условиях рудников ОАО «Апатит».

Рис. 12.8. Пример построения охранного целика под железную дорогу (объект I категории, ОАО «Апатит»).

На рис. 12.9 приведён пример построения целика под камеры опрокидов (объект II категории) в условиях рудников ОАО «Апатит».

Рис. 12.9. Пример построения целика под камеры опрокида (объект II категории, ОАО «Апатит»)

Построение предохранительного целика для объектов III категории в условиях ОАО «Апатит» выполняется следующим образом (рис. 12.10): от бермы шириной 5м, проводится плоскость под углом сдвижения (70°) до точки А, расположенной выше подсечки нижележащего горизонта на 23.0 м. На отрезке АВ линия сдвижения принимается вертикальной.

Рис. 12.10. Построение предохранительного целика для подземной подготовительной выработки (объект III категории, ОАО «Апатит»).

Построение целиков для охраны шахтных стволов.

Вертикальные стволы шахт и рудников являются основными артериями горнодобывающих предприятий, поэтому к их охране подходят особенно внимательно. Согласно действующим “Правилам охраны...” стволы охраняют, как правило, без учета безопасной глубины; это означает, что, практически, при всех глубинах залегания полезных ископаемых под стволами должны оставляться предохранительные целики.

Для относительно неглубоких стволов (до 400 м), а также блоковых и воздухоподающих (вспомогательных) стволов любой глубины целики строят по углам сдвижения.

Границы предохранительных целиков для глубоких главных и вентиляционных стволов с жесткой крепью, оборудованных постоянным подъёмом, определяют на вертикальных разрезах линиями пересечения почвы залежи с плоскостями, проведенными через границы охраняемой площади под углами сдвижения до глубин 400 м и под граничными углами от глубин 600 м (при a<p/4) или 700 м (при a>p/4) и более. В интервале глубин 400—600 м при a<p/4 и 400—700 м при a>p/4 границы предохранительных целиков определяются линиями, соединяющими границы целиков соответственно на глубинах 400 и 600 или 700 м.

Размеры целиков по всем пластам или залежам или участкам пластов (залежей), расположенным ниже зумпфа ствола на 0,2 Н и более (Н — глубина ствола с зумпфом), определяют при любых глубинах разработки по углам сдвижения от границы берм охраняемой площади.

Размер бермы при определении охраняемой площади принимают для всех стволов равным 20 м.

В тех случаях, когда фактическая глубина залегания полезного ископаемого меньше безопасной, установленной для сооружений промплощадки, а ствол допускается охранять по углам сдвижения, строят общий целик для охраны как ствола с подъемным комплексом, так и других надшахтных сооружений. Однако чаще приходится рассчитывать целик для охраны шахтного ствола вместе с копром и зданием подъемной машины отдельно от остальных сооружений промплощадки.

Методика построения целиков под стволы в основном та же, что и для других объектов. Но поскольку стволы следует защищать не только от недопустимых сдвижений, но и от опасных проявлений горного давления, околоствольные предохранительные целики должны отвечать ряду дополнительных требований.

Так, границы предохранительных целиков, построенных по углам сдвижения, должны отстоять от ствола на разрезах вкрест простирания и по простиранию в плоскости пласта на расстоянии не менее 50 м при a<p/4 и 60 м при a>p/4 при глубинах до 400 м. При глубинах более 400 м указанные минимальные размеры целиков увеличивают из расчета по 10 м на каждые последующие 100 м глубины.

Для глубоких вертикальных стволов, охраняемых по граничным углам, размер целика l от ствола в плоскости пласта по падению определяется по соответствующим таблицам “Правил охраны... ”.

При больших глубинах и наличии в основной кровле разрабатываемого пласта мощной (более 20 м) толщи труднообрушающихся монолитных пород ([s_сж]>800 кгс/см²) размер целиков по простиранию в каждую сторону от ствола (для защиты жесткой крепи от опорного давления) должен быть не менее 250 м.

Для сокращения потерь полезных ископаемых “Правилами охраны...” рекомендуется ограничивать размер целика в плоскости пласта в сторону падения пластов от ствола при a от 20° до 45⁰ значением 250 м. С этой же целью производят срезание углов целика любым из рассмотренных способов.

Однако при больших глубинах разработки пластов целики, построенные по углам сдвижения, оказываются недостаточными, а применение граничных углов ведет к увеличению потерь в целиках в 3—4 раза.

В основу изложенных способов построения предохранительных целиков под вертикальные стволы положены принципы учёта особенностей процессов сдвижения земной поверхности. Однако, вертикальные стволы находятся в массиве горных пород, непосредственно связаны с ним и деформируются не только из-за неравномерного сдвижения пород, но и вследствие перераспределения напряжений в массиве, вызванного как проходкой стволов, так и влиянием очистных работ. При этом, в отличие от сооружений, расположенных на земной поверхности, с увеличением глубины нагрузки на крепи стволов возрастают, одновременно повышается и степень их деформирования.

Это вызывает необходимость при разработке мер их охраны разрабатывать специальные конструктивные меры, учитывающие также особенности деформирования толщи пород, число разрабатываемых пластов (залежей), темпы развития очистных работ, конструктивные особенности стволов (материал и конструкцию крепи, армировки и пр.) и другие влияющие факторы.

Поскольку наиболее распространенным видом деформирования стволов является изменение их длины (укорочение или удлинение), конструктивные меры направлены, прежде всего, на защиту крепи и армировки стволов от этого вида деформаций. С этой целью в крепи ствола устраивают горизонтальные осадочные швы, заполняемые податливым или малопрочным материалом, уменьшают трение и ослабляют связи между крепью и окружающими породами, применяют специальные крепежные материалы или конструкции, на стыках проводников устанавливают компенсирующие узлы податливости или сменные вкладыши.

Горизонтальные осадочные швы располагают в зоне максимальных вертикальных сжатий, в местах пересечения стволом слабых породных прослоев, угольных пластов или рудных жил, контактов пород разной прочности. В качестве податливых и малопрочных материалов при заполнении осадочных швов применяют деревянные доски и брусья, пустотелые блоки, крупнопористый и ячеистый бетон.

Трение уменьшают заполнением пространства между крепью и породой вязким или сыпучим материалом (битумом, асфальтом, шлаками, щебнем, и др.) или применением специальных антифрикционных покрытий.

Для компенсации деформаций вертикального укорочения или удлинения ствола применяют укороченные звенья проводников. Типовые схемы конструктивных решений защиты жестких армировок стволов приведены в нормативных документах, например, во «Временных указаниях по проектированию, строительству и эксплуатации крепи и армировки вертикальных стволов угольных шахт в условиях влияния очистных работ», Л, 1972, 188 с.»

При наклонном и крутом падении пластов помимо вертикальных деформаций происходит изменение диаметра стволов, сдвиг поперечных сечений и срез крепи. Для защиты от этих видов деформаций применяют радиальные вертикальные податливые прокладки или специальные крепи, выдерживающие без разрушения изменение формы поперечного сечения; производят заполнение закрепного пространства сжимающимися или вязкими материалами. Иногда применяют также крепи из отдельных несвязанных элементов, из легких блоков на анкерах, штанговую крепь с сеткой и т. д.

При выборе размеров и формы сечений, а также при расположении армировки и подъемных сосудов необходимые зазоры между крепью ствола, движущимися сосудами, армировкой и канатами предусматривают с учетом предстоящих деформаций массива пород. Обычно принимают схемы армировок с минимальным числом расстрелов и лунок за счет крепления части проводников к консолям и кронштейнам, с односторонним расположением проводников, а также путём применения проводников повышенной жесткости.