Геотехнология: подземные горные выработки и их крепление

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ — СПЕЦИАЛИТЕТ серия основана в 1 996 г.




Е.И. КОМАРОВ





                ГЕОТЕХНОЛОГИЯ




            ПОДЗЕМНЫЕ ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ
            И ИХ КРЕПЛЕНИЕ


УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ



Допущено
                              Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области горного дела в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки (специальности) «Горное дело»




    znanium.com

электронно-библиотечная система

Москва
ИНФРА-М
2024

УДК 622(075.8)
ББК 33.1я73
     К63



      Автор:
         Комаров Е.И., доктор технических наук, профессор кафедры гео-технологических способов и физических процессов горного производства Российского государственного геологоразведочного университета имени Серго Орджоникидзе

      Рецензенты:
         Боровков Ю.А., доктор технических наук, профессор кафедры разработки месторождений стратегических видов минерального сырья Российского государственного геологоразведочного университета имени Серго Орджоникидзе;
         Глотов В.В., доктор технических наук, заведующий кафедрой экономики горного производства и геологоразведки Забайкальского государственного университета

      Комаров Е.И.
К63 Геотехнология. Подземные горные выработки и их крепление : учебное пособие / Е.И. Комаров. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 170 с. — (Высшее образование: Специалитет). — DOI 10.12737/1064750.
         ISBN 978-5-16-015873-0 (print)
         ISBN 978-5-16-108336-9 (online)
         В учебном пособии изложены основные понятия о подземных горных выработках, оценки их устойчивости, современные способы крепления и охраны в период всего срока существования шахт и рудников. Приведены примеры расчета рациональной площади поперечного сечения горных выработок и вопросы для самопроверки, направленные на закрепление полученных студентами знаний и компетенций.
         Предназначено для студентов всех специализаций, обучающихся по направлению подготовки «Горное дело» и изучающих дисциплины «Подземная геотехнология» и «Строительная геотехнология», поскольку является базовым информативным носителем профессиональных знаний и компетенций.

УДК 622(075.8)
ББК 33.1я73


ISBN 978-5-16-015873-0 (print)
ISBN 978-5-16-108336-9 (online)

© Комаров Е.И., 2016, 2021

ВВЕДЕНИЕ


      Человечество стремится к освоению не только космического пространства и морских глубин, но в большей степени земных недр. Достигнутые успехи в освоении недр в основном связаны с желанием добычи полезных ископаемых, особенно стратегических видов сырья. В настоящее время наиболее глубокими являются рудники золотодобычи, которыми скоро будет достигнута глубина разработки 4 км и это не предел. Только в ЮАР около 20 рудников имеют глубину разработки более 2 км, из них 10 рудников уже превысили отметку 3 км. В России наиболее глубоким является рудник «Таймырский» ГМК «Норильский никель», разрабатывающий на глубине более 1,5 км медно-никелевые руды. Несколько меньше глубина подземной разработки и других полезных ископаемых (уголь; медно-цинковая, урановая, железная и калийная руды).
      Рост глубины разработки и увеличение мощности грузопотоков полезных ископаемых обусловливают увеличение площади поперечного сечения подземных горных выработок и необходимость сохранения их устойчивости в условиях повышенного напряженно-деформационного состояния. При этом возрастающие нормативы проходческих работ на тысячу тонн добытых полезных ископаемых, требуют тщательно обоснованных решений в части выбора формы и размеров поперечных сечений подземных горных выработок, современных материалов и конструкций горной крепи.
      Значительный срок существования шахт и рудников, продолжительное время стояния капитальных и подготовительных выработок обязывает знать основные способы их охраны, дополняющих профессиональные компетенции по дисциплине «Подземная геотехнология».

3

1. ПОДЗЕМНЫЕ ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ


1.1. Классификация подземных горных выработок

      Пустоты, образующиеся в земной коре в результате разведки месторождений и добычи полезных ископаемых подземным способом, называются подземными горными выработками. В свою очередь, определенные системы этих выработок формируют такие производственные объекты как шахты и рудники.
      Подземные горные выработки классифицируются по ряду признаков:
      • по назначению;
      • по сроку службы;
      •       по пространственному расположению, в зависимости от стадии освоения месторождений;
      • по форме поперечного сечения и т.д.
      По назначению подземные горные выработки различают:
      а) разведочные и эксплуатационные;
      б) главные и вспомогательные;
      в)       конвейерные, транспортные, грузовые, вентиляционные,
      людские, породные и т.д.
      По сроку службы подземные горные выработки делятся на:
      • капитальные (действуют более 10 лет);
      • подготовительные (действуют до 10 лет);
      • очистные (функционируют до 1 года).
      Близка к ним классификация в зависимости от стадии освоения месторождений (рис. 1.1), согласно которой подземные горные выработки подразделяются на:

4

       а) геологоразведочные',
       б) капитальные-,
       в) подготовительные (участковые)-, г) нарезные;
       д) очистные.

для подготовь выемочных блоков и
ПОДСЧ ста

для подсчета й уточнения

подйугов^тйльяые

для вскрытия месторождения и недочета вскрытых запасов

при отработке выемочных блоков и ........погашении запасов.......

для подготовки выемочных блоков: й подсчет? лотовых к выемке запасов

Рис. 1.1. Классификация подземных горных выработок в зависимости от стадии освоения месторождения



      По расположению подземные горные выработки можно классифицировать относительно:
      •        горизонтальной плоскости - вертикальные (90°), круто-наклонные (35-90°), наклонные (0-35°) и горизонтальные (0°);
      •        центра шахтного (рудничного) поля - центральные и фланговые; северные, восточные, южные и западные; восстающие, диагональные и др.;
      •        залегания месторождения - пластовые (проходят по полезному ископаемому); полевые (минуют полезное ископаемое).
      Все действующие подземные горные выработки имеют следующие элементы (рис. 1.2):

5

      >        устье - место примыкания к земной поверхности или другой выработке;
      >        забой - торцевая поверхность, на которую воздействуют орудиями труда с целью направленной выемки (отбойки);
      >        кровля — потолочина;
      >        бока — боковые поверхности;
      >        почва (подошва).

Устье (место примыкания к поверхности Кровля

Рис. 1.2. Основные элементы подземной горной выработки

      Форма забоя зависит от размеров выработки, горногеологических условий, физико-механических свойств горных пород, применяемых орудий труда и конкретных задач.
      При раздельной (селективной) выемке полезных ископаемых и пород, забои приобретают уступную или ступенчатую конфигурацию. Чаще забой плоский. Когда выработка достигнет своей проектной длины, забой прекращает своё существование, преобразуясь в торец (стенку).


6

      По длине фронта очистных работ забои разделяют на короткие или узкие (длиной до 15—30 м) и длинные (от 15-30 до 200-250 м).
      По виду секущих плоскостей различают продольное и поперечное сечение подземных горных выработок. Для продольного сечения секущая плоскость проходит по оси выработки, а для поперечного - перпендикулярно.
      В зависимости от величины и характера проявления горного давления, физико-механических свойств горных пород, назначения и срока службы подземным горным выработкам придают устойчивые формы поперечных сечений, которые подразделяются на (рис. 1.3):


Рис. 1.3. Основные формы поперечных сечений подземных горных выработок:
а — прямоугольная; б — трапециевидная; в — полигональная;
г — сводчатая; д — арочная; е — круглая; ж, з — эллиптическая

       а)        прямоугольные - обычно проводятся на небольшой глубине при прочных породах кровли, отсутствии бокового горного давления и наличии «пучения» пород;


7

      б)       трапециевидные - проводятся на небольшой глубине при прочных породах кровли, небольшом боковом горном давлении и отсутствии «пучения» пород;
      в)      полигональные - проходят при необходимости повышения устойчивости трапециевидных выработок;
      г)      сводчатые — по своей конфигурации приближаются к своду естественного равновесия, вследствие чего проходят на большой глубине при значительном горном давлении¹* со стороны кровли в довольно крепких породах при отсутствии «пучения»² пород в почве выработок;
      д)       арочные — проходят на большой глубине при наличии вертикального и бокового давления горных пород;
      е)       круглые - проводят при всестороннем горном давлении в слабых и неустойчивых боковых породах горизонтальных и вертикальных горных выработок;
      ж,       з) эллиптические — крайне редко проектируют и применяют на практике в слабых и неустойчивых породах с большой осью в направлении большего горного давления.
      Существует несколько понятий поперечного сечения горных выработок:
      •       в проходке - сечение выработки после выемки горной массы до установки крепи по контуру вмещающих пород;

¹ Горное давление - совокупность сил, действующих в массиве вокруг горных выработок, т.е. напряжения в породном массиве, обусловленные проведением горных работ дополнительно к ранее существующим в нетронутой толще массива. Обычно проявляется в разных формах (деформации боковых пород и их обрушение, деформации и разрушения крепей, внезапные выбросы и горные удары) при проведении и эксплуатации выработок.

2
  Пучение (выдавливание пород из почвы) - горное давление со стороны почвы выработки за счет набухания пород и их пластического течения в результате неравновесного состояния массива или как результат выпирания под влиянием опорного давления в боках выработки.

8

      •        вчерне - сечение по наружному контуру крепи и почве выработки;
      •        в свету - сечение после возведения крепи и настилки рельсового пути по внутреннему контуру крепи и верху балластного слоя, а при его отсутствии - по почве.
      Для изучения общую структуру подземных горных выработок можно представить на рис. 1.4:
      -        протяженные (вертикальные, горизонтальные, наклонные);
      -        очистные;
      -        служебные камеры околоствольного двора.

штольня. тоннель

штрек, квершлаг

наклонный ствол

] бремсберг, уклон ~ ~

* скат — ‘

- песета юьций

вертикальные

спелом ствол

просек

рудоспуск

шурф

орт













Рис. 1.4. Структура подземных горных выработок


1.2. Вертикальные горные выработки


      Схема расположения некоторых подземных горных выработок в недрах Земли приведена на рис. 1.5.
      Шахтные стволы — вертикальные капитальные выработки, имеющие непосредственный выход на земную поверхность и предназначенные для вскрытия месторождений, спуска-подъема людей, оборудования и


9

материалов, подъема добытых полезных ископаемых, а также для вентиляции шахт и рудников.

Рис. 1.5. Схема расположения подземных горных выработок в недрах Земли:
1 — вертикальный ствол; 2 — квершлаг; 3 — штрек; 4 — полевой штрек; 5 — орт; б — вертикальный и 7 — наклонный восстающий;
8 — слепой ствол; 9 — штольня; 10 — шурф; 11 — наклонный ствол

        Стволы, служащие для подъема добытых полезных ископаемых, называют главными, а все другие - вспомогательными. Часть ствола, расположенная ниже транспортного горизонта, называется зумпфом, который предназначен для приема воды.
        Сооружаемые в настоящее время вертикальные стволы имеют, как правило, круглую форму поперечного сечения (рис. 1.6). Диаметр стволов ранжируется через каждые 0,5 м. Так, на шахтах средней производственной мощности


10