Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЦЕНКИ РЕАКЦИИ ЗАКЛАДОЧНОГО МАССИВА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ОСЕДАНИЯМИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для количественной оценки геомеханической роли закладочного массива при его взаимодействии с целиками различного производственного назначения.

При взаимодействии закладочного массива и целиков, когда целики, деформируясь с течением времени под действием горного давления, давят на уплотняющуюся закладку, со стороны закладочного массива на целики действует реактивное горизонтальное давление (реакция закладочного массива), в результате чего целики оказываются в объемном напряженном состоянии и обладают значительно большей несущей способностью по сравнению со случаем плоского или одноосного напряженного состояния.

Известны способы оценки давления в закладочной смеси, которое равно реакции закладки, заключающиеся в лабораторных испытаниях системы «цилиндрический породный образец-закладка» в жестких цилиндрических матрицах при различных значениях отношения высоты закладочного материала, заполняющего зазор между стенками матрицы и образцом к высоте образца (Блайт Е., Кларк И.Е. Приготовление и исследование свойств жесткой закладочной смеси для поддержания целиков // Разработка месторождений с закладкой. - М.: Мир, 1987; Пат. №2204716, МПК Е21С 39/00, заявка: 2001117810/03, заявл. 26.06.2001, опубл. 20.05.2003, Бюл. №14).

Указанные способы осуществляются на образцах породного и закладочного материалов и не учитывают длительное взаимодействие закладочного массива с породными целиками в натурных условиях рудников.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является способ оценки относительной реакции закладочного массива при его длительном взаимодействии с породами, вмещающими горную выработку (Пат. №2254465, РФ, МПК⁷: Е21С 39/00, G01N 3/12, G01N 33/24, заявка: 2004103768/03, заявл. 09.02.2004, опубл. 20.06.2005, Бюл. №17).

Способ включает проведение компрессионных испытаний системы «цилиндрический породный образец - закладочный материал» в жестких матрицах при различных значениях отношения высоты закладочного материала, заполняющего зазор между стенками жесткой цилиндрической матрицы и образцом, к высоте образца. Проводят испытания для построения обобщенного паспорта прочности породных образцов в координатах «горизонтальное напряжение - вертикальное напряжение». Проводят испытания породных образцов на ползучесть при сжатии при нагрузках выше предела длительной прочности породы с построением кривых ползучести в координатах «уровень нагружения - логарифм скорости вертикальных деформаций». Относительную реакцию закладочного массива определяют по формуле:

где - реактивное давление закладочного массива на породный образец;

- предел прочности породных образцов на одноосное сжатие;

σ₁ - осевое сжимающее напряжение, действующее на образец, равное отношению вертикальной нагрузки на образец к площади его поперечного сечения;

K_ε - отношение скорости вертикальных деформаций породного образца, окруженного закладочным материалом, к скорости вертикальных деформаций без закладки при одном и том же сжимающем осевом напряжении σ₁;

α - константа породы, соответствующая коэффициенту увеличения прочности породного образца при действии на него не только осевого давления σ₁, но и бокового давления σ₂, определяемая из испытаний породных образцов на сжатие с построением паспорта прочности в координатах «боковое напряжение - осевое напряжение» как тангенс угла его наклона к горизонтальной оси;

β - константа породы, соответствующая коэффициенту увеличения скорости ползучести образца при увеличении уровня нагружения , определяемая из испытаний породных образцов на ползучесть при сжатии с построением графика «уровень нагружения - натуральный логарифм скорости деформаций lnε» как тангенс его наклона к горизонтальной оси.

Указанный способ не позволяет оценить влияние геологических факторов и процессы взаимодействия закладочного массива с породными целиками, развивающиеся во времени, на величину реакции закладки и потому является весьма приближенным.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в значительном снижении трудоемкости и стоимости работ, а также повышении достоверности результатов за счет учета геологических факторов и процессов взаимодействия закладки с породными целиками в натурных условиях.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе оценки реакции закладочного массива по результатам натурных наблюдений за оседаниями земной поверхности, включающем проведение длительных инструментальных наблюдений за оседанием земной поверхности над отработанными участками шахтного поля с заложенными и незаложенными очистными камерами в аналогичных горно-геологических и горнотехнических условиях, отличающемся тем, что профильные маркшейдерские линии на земной поверхности оборудуют реперами сразу после отработки продуктивных пластов с податливыми (деформирующимися во времени) междукамерными целиками, дополнительно проводят лабораторные испытания породных образцов, у которых отношение высоты к диаметру составляет не менее 2, на ползучесть при сжатии при нагрузках выше предела длительной прочности породы с построением кривых ползучести в координатах «уровень нагружения - логарифм скорости вертикальных деформаций», а также на прочность с построением обобщенного паспорта прочности в координатах «горизонтальное напряжение - вертикальное напряжение», а реакцию закладочного массива определяют по формуле:

,

где q - реактивное давление закладочного массива на междукамерный целик, МПа;

- прочность породы, слагающей целик, на одноосное сжатие, МПа;

γ - средний объемный вес вышележащих пород, МН/м³;

Н - глубина разработки, м;

a - ширина очистной камеры, м;

b - ширина междукамерного целика, м;

А - коэффициент заполнения камер закладкой, равной отношению высоты закладочного массива к высоте камеры;

α - константа породы, слагающей целик, соответствующая коэффициенту увеличения прочности породного образца при действии на него не только осевого давления σ₁, но и бокового давления σ₂, определяемая из испытаний породных образцов на сжатие с построением паспорта прочности в координатах «боковое напряжение - осевое напряжение» как тангенс угла его наклона к горизонтальной оси;

β - константа породы, слагающей целик, соответствующая коэффициенту скорости ползучести образца при увеличении уровня его нагружения, определяемая из испытаний породных образцов на ползучесть при одноосном сжатии с построением графика «уровень нагружения - натуральный логарифм» скорости деформаций как тангенс его наклона к горизонтальной оси;

- скорость оседаний земной поверхности при незаложенных камерах, мм/сут;

- скорость оседаний земной поверхности при заложенных камерах, мм/сут;

- отношение скорости вертикальных оседаний земной поверхности при заложенных камерах к скорости оседаний земной поверхности при незаложенных камерах при одних и тех же значениях Н, а, b.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.2 - кривые вертикальных оседаний земной поверхности в зависимости от времени, прошедшего с «момента» отработки продуктивного пласта над незаложенными и заложенными участками по данным маркшейдерских наблюдений;

на фиг.4 - обобщенный паспорт прочности породы в координатах «боковое напряжение-вертикальное напряжение»;

на фиг.5 - график зависимости натурального логарифма скорости ползучести на установившейся стадии от степени нагружения образца ;

на фиг.1 - проектная схема отработки пластов АБ и В с одинаковыми параметрами;

на фиг.3 - схема деформирования и разрушения целиков на пластах АБ и В (по результатам наблюдений).

На чертежах: 1 - кривые вертикальных оседаний земной поверхности в зависимости от времени, прошедшего с «момента» отработки продуктивного пласта над незаложенными участком по данным маркшейдерских наблюдений; 2 - кривые вертикальных оседаний земной поверхности в зависимости от времени, прошедшего с «момента» отработки продуктивного пласта над заложенным участком по данным маркшейдерских наблюдений; 3 - криволинейная огибающая кругов Мора; на фиг.4 - линейная аппроксимация криволинейной огибающей кругов Мора, на фиг.5 - график зависимости натурального логарифма скорости продольных деформаций породных образцов на стадии установившейся ползучести от уровня их нагружения .

Способ оценки реакции закладочного массива по результатам натурных наблюдений за оседаниями земной поверхности иллюстрируется на примере Верхнекамского месторождения калийных и калийно-магниевых солей.

В течение 9 лет проводились маркшейдерские наблюдения за оседаниями земной поверхности над отработанными в условиях Первого Соликамского рудника блоками 115 и 77, расположенными рядом в юго-восточной части шахтного поля. В обоих блоках отрабатывались пласты В (карналлитовый) и АБ (сильвинитовый) на глубине Н=300-310 м, с одинаковыми параметрами (фиг.1).

В блоке 77 очистные камеры на карналлитовом пласте В через t'=l,5 года (фиг.2) после их отработки были заложены сухой закладкой (влажность W=7-8%) с полнотой заполнения камер А=0,70.

Визуальными наблюдениями в незаложенных камерах 115 блока было установлено, что междукамерные целики на пласте АБ практически не деформируются, а на карналлитовом пласте В деформируются и разрушаются (фиг.3), т.е. краевые части целиков разрушены и нагрузку не несут.

На оседания земной поверхности преобладающее влияние оказывает отработанный карналлитовый пласт. Скорость оседаний земной поверхности примерно равна скорости оседаний междукамерных целиков на карналлитовом пласте в активной стадии их деформирования.

По результатам маркшейдерских измерений построены графики 1, 2 (фиг.2), по которым установлено, что Тогда

Для лабораторных испытаний применяли максимально схожие между собой породные карналлитовые «образцы-близнецы», с отношением высоты h образцов к их диаметру d, равным двум .

Проводили испытания породных образцов карналлита на сжатие в стабилометре с построением обобщенного паспорта прочности в координатах «горизонтальное напряжение σ₂ - вертикальное напряжение σ₁» и по полученным данным построили криволинейную огибающую кругов Мора 1 и ее линейную аппроксимацию 2 (фиг.4).

По линейной аппроксимации паспорта прочности как тангенс угла наклона прямой к горизонтальной оси координат определяли константу α. Получили α=4,7, МПа.

Затем проводили испытания породных образцов на ползучесть при сжатии осевым давлением σ₁ от σ_∞ до с построением графика зависимости натурального логарифма скорости ползучести на установившейся стадии от степени нагружения образца (фиг.5), по которому как тангенс угла наклона прямой к горизонтальной оси определяли константу породы β, характеризующую степень увеличения скорости установившейся ползучести при увеличении уровня нагружения образца. Получим β=14,66.

Оценим численно значение q реакции закладки на целики при следующих исходных данных: A=0,7, γ=0,021 МН/м³, H=300 м, a=8 м, в=19 м, МПа, α=4,7; β=14,66.

Подставив эти значения в заявляемую расчетную формулу, получим q=0,599 МПа≈0,6 МПа.

Использование предлагаемого способа оценки реакции закладочного массива при его длительном взаимодействии с породами, слагающими междукамерные целики, позволяет оценить несущую способность целиков различного назначения при разработке месторождений с закладкой в различных горно-геологических и горнотехнических условиях, позволяет более корректно решать задачи управления процессами деформирования подрабатываемых породных массивов.