Основная цель наземного контроля состоит в том, чтобы обеспечить безопасное проведение раскопок в горных породах и почве (термины управление слоями и управление склонами также используются в подземных и открытых шахтах соответственно). Наземное управление также находит множество применений в проектах гражданского строительства, таких как туннели, гидроэлектростанции и хранилища ядерных отходов. Он был определен как практическое применение механики горных пород в повседневной добыче полезных ископаемых. Национальный комитет США по механике горных пород предложил следующее определение: «Механика горных пород — это теоретическая и прикладная наука о механическом поведении горных пород и горных массивов; это та часть механики, которая занимается реакцией горных пород и массивов горных пород на силовые поля их физической среды».

Массивы горных пород демонстрируют чрезвычайно сложное поведение, а механика горных пород и управление грунтом были предметом значительных фундаментальных и прикладных исследований во всем мире с 1950-х годов. Во многих отношениях наземное управление — это скорее ремесло, чем наука. Наземный контроль требует понимания структурной геологии, свойств горных пород, режимов грунтовых вод и напряжений грунта, а также того, как эти факторы взаимодействуют. Инструменты включают в себя методы обследования местности и испытания горных пород, меры по минимизации ущерба горному массиву от взрывных работ, применение приемов проектирования, мониторинга и наземной крепи. В последние годы в механике горных пород и управлении грунтом произошло несколько важных событий, в том числе разработка методов эмпирического проектирования и компьютерного анализа для проектирования горных работ, внедрение и широкое использование различных инструментов мониторинга грунта и разработка специализированных инструментов поддержки грунта. и методы. На многих горнодобывающих предприятиях есть отделы наземного контроля, в которых работают инженеры и техники.

Подземные выработки труднее создавать и обслуживать, чем скальные или почвенные откосы, поэтому подземные шахты, как правило, должны уделять больше ресурсов и проектных усилий для контроля на земле, чем открытые шахты и карьеры. При традиционных методах подземной добычи, таких как усадка и засыпка, рабочие напрямую контактируют с потенциально неустойчивым грунтом в рудной зоне. При массовых методах добычи, например, при бурении скважин, рабочие не заходят в рудную зону. В последние десятилетия наблюдается тенденция перехода от селективных методов к массовым методам.

Типы замыкания на землю

Структура горных пород и напряжение горных пород являются важными причинами нестабильности в шахтах.

Конкретный горный массив состоит из неповрежденной породы и любого количества скальных структур или структурных разрывов. К основным типам горных пород относятся плоскости напластования (плоскости разделения, разделяющие отдельные пласты), складки (изгибы пластов горных пород), разломы (трещины, по которым произошло движение), дайки (пластовые интрузии магматических пород) и трещины (разломы геологических пород). начала, вдоль которого не было видимого смещения). Следующие свойства структурных разрывов влияют на инженерное поведение горных массивов: ориентация, расстояние, устойчивость, шероховатость, апертура и наличие заполняющего материала. Сбор соответствующей структурной информации инженерами и геологами является важным компонентом программы контроля грунта при добыче полезных ископаемых. В настоящее время доступны сложные компьютерные программы для анализа структурных данных, а также геометрии и устойчивости клиньев в открытых или подземных шахтах.

Напряжения в горных породах также могут вызывать нестабильность в шахтах; знание напряженно-деформированного состояния массивов горных пород имеет важное значение для надежного инженерного проектирования. Лабораторные испытания цилиндрических образцов породы из керна могут предоставить полезную информацию о прочности и деформируемости неповрежденной породы; разные типы горных пород ведут себя по-разному, от пластического поведения соли до эластичного, хрупкого поведения многих твердых пород. Соединение сильно повлияет на прочность и деформируемость всего скального массива.

Есть несколько распространенных типов обрушения горных откосов в открытых шахтах и ​​карьерах. Режим разрушения скользящего блока возникает, когда движение происходит вдоль одной или нескольких структур горных пород (плоский сдвиг, ступенчатая траектория, клин, ступенчатый клин или разрушение плиты); разрушение при вращении может произойти в грунте или на слабом склоне скального массива; дополнительные режимы разрушения включают опрокидывание блоков, образованных крутопадающими конструкциями, и расползание (например, смещение блоков из-за замерзания-оттаивания или дождя).

Крупные обрушения откосов могут иметь катастрофические последствия, хотя нестабильность откосов не обязательно означает обрушение откосов с эксплуатационной точки зрения. Стабильность отдельных скамеек обычно имеет более непосредственное значение для эксплуатации, поскольку отказ может произойти без предупреждения, с потенциальной гибелью людей и повреждением оборудования.

В подземных шахтах неустойчивость может возникать в результате движения и обрушения блоков горных пород в результате структурной нестабильности, обрушения горных пород вокруг выработки в результате высокого напряжения горных пород, сочетания вызванного напряжением разрушения горных пород и структурной нестабильности и вызванной нестабильностью. по камнепаду. Структура горных пород может влиять на выбор метода подземной добычи и проектирование схем горных работ, поскольку она может контролировать стабильные пролеты выемки, требования к поддержке и оседание. Горная порода на глубине подвергается напряжениям, возникающим в результате веса вышележащих слоев и напряжений тектонического происхождения, причем горизонтальные напряжения часто превышают вертикальные напряжения. Доступны инструменты для определения уровня напряжения в грунте до начала добычи. При проходке выработки поле напряжений вокруг этой выработки изменяется и, возможно, превышает прочность горного массива, что приводит к неустойчивости.

Существуют также различные типы отказов, которые обычно наблюдаются в подземных шахтах с твердыми породами. При низких уровнях напряжения разрушения в значительной степени контролируются структурно, когда клинья или блоки падают с крыши или выскальзывают из стен проемов. Эти клинья или блоки образованы пересекающимися структурными разрывами. Если свободные клинья или блоки не поддерживаются, разрушение может продолжаться до тех пор, пока не произойдет естественное выгибание проема. В слоистых отложениях расслоение и разрушение слоев может происходить по плоскостям напластования. При высоких уровнях напряжения разрушение состоит из хрупкого выкрашивания и растрескивания в случае массивного массива горных пород с небольшим количеством соединений до более пластичного типа разрушения массивов горных пород с сильными трещинами.

Горный удар может быть определен как повреждение при раскопках, которое происходит внезапно или сильно и связано с сейсмическим событием. Были идентифицированы различные механизмы повреждения горными ударами, а именно расширение или коробление породы из-за трещин вокруг отверстия, камнепады, вызванные сейсмическим сотрясением, и выброс породы из-за передачи энергии от удаленного сейсмического источника. На некоторых угольных, соляных и других шахтах выбросы породы и газа катастрофически происходят в результате высоких напряжений горных пород и больших объемов сжатого метана или углекислого газа. В карьерах и открытых шахтах также наблюдались внезапные коробления и вздутия каменных полов. В нескольких странах были проведены серьезные исследования причин горных ударов и возможного смягчения их последствий. Методы сведения к минимуму горных ударов включают изменение формы, ориентации и последовательности извлечения, использование метода, известного как взрывные работы, жесткая закладка шахты и использование специализированных систем поддержки. Сложные локальные или общерудные системы сейсмического мониторинга могут помочь в идентификации и анализе механизмов источника, хотя прогнозирование горных ударов в настоящее время остается ненадежным.

В канадской провинции Онтарио почти треть всех подземных смертельных травм в высокомеханизированной горнодобывающей промышленности является результатом камнепадов и камнепадов; частота смертельных исходов от камнепадов и камнепадов за период 1986-1995 гг. составила 0.014 на 200,000 XNUMX часов работы под землей. В менее механизированных подземных горных работах или там, где наземная поддержка не используется широко, можно ожидать значительно более высоких частот травм и смертельных случаев из-за падения грунта и горных ударов. Показатели безопасности, связанные с наземным управлением, для открытых рудников и карьеров, как правило, лучше, чем для подземных рудников.

Методы проектирования

Проектирование подземных выработок — это процесс принятия инженерных решений по таким вопросам, как расположение, размеры и формы выемок и каменных столбов, последовательность добычи и применение систем поддержки. В открытых горных выработках для каждой секции карьера необходимо выбрать оптимальный угол наклона, а также другие аспекты конструкции и крепи откоса. Проектирование шахты — это динамичный процесс, который обновляется и уточняется по мере поступления дополнительной информации посредством наблюдений и мониторинга во время добычи. Обычно используются эмпирические, наблюдательные и аналитические методы проектирования.

Эмпирические методы часто используют систему классификации массива горных пород (было разработано несколько таких схем, например Система горных массивов и Индекс качества проходки горных пород), дополненную рекомендациями по проектированию, основанными на знании принятой практики. Были успешно применены несколько эмпирических методов проектирования, например, метод графика устойчивости для проектирования открытых забоев.

Методы наблюдения полагаться на фактический мониторинг движения грунта во время земляных работ для обнаружения измеримой нестабильности и на анализ взаимодействия грунта с крепью. Примеры этого подхода включают Новый австрийский метод туннелирования и метод конвергенции-конфайнмента.

аналитические методы использовать анализ напряжений и деформаций вокруг проемов. Некоторые из самых ранних методов анализа напряжений использовали математические решения закрытой формы или фотоупругие модели, но их применение было ограничено из-за сложной трехмерной формы большинства подземных выработок. Недавно был разработан ряд компьютерных численных методов. Эти методы позволяют получить приближенные решения задач о напряжениях, смещениях и разрушениях горных пород, окружающих горные выработки.

Недавние усовершенствования включали введение трехмерных моделей, возможность моделировать структурные разрывы и взаимодействие горных пород с крепью, а также наличие удобных графических интерфейсов. Несмотря на свои ограничения, численные модели могут дать реальное представление о сложном поведении горных пород.

Описанные выше три методологии следует рассматривать как неотъемлемые части единого подхода к проектированию подземных выработок, а не как самостоятельные методы. Инженер-проектировщик должен быть готов использовать ряд инструментов и переоценивать стратегию проектирования, когда этого требует количество и качество доступной информации.

Контроль буровзрывных работ

Особое беспокойство при взрывных работах вызывает их воздействие на горные породы в непосредственной близости от раскопок. Интенсивные локальные трещины и нарушение целостности сцепленной, сочлененной конструкции могут быть вызваны в породе ближней зоны из-за неправильного проектирования взрывных работ или методов бурения. Более обширные повреждения могут быть вызваны передачей энергии взрыва в дальнее поле, что может вызвать нестабильность конструкций шахты.

На результаты взрывов влияет тип породы, режим напряжений, структурная геология и наличие воды. Меры по минимизации ущерба от взрыва включают в себя правильный выбор взрывчатого вещества, использование методов взрывных работ по периметру, таких как предварительное дробление (параллельные, близко расположенные отверстия, которые будут определять периметр выемки), разъединяющие заряды (диаметр взрывчатого вещества меньше, чем взрывной скважины), время задержки и буферные отверстия. Геометрия просверленных отверстий влияет на успех взрыва в стене; рисунок отверстий и выравнивание должны тщательно контролироваться.

Мониторинг вибрации при взрыве часто проводится для оптимизации схем взрывных работ и во избежание повреждения горной массы. Разработаны эмпирические критерии повреждения от взрывной волны. Оборудование для мониторинга взрыва состоит из датчиков, устанавливаемых на поверхности или в скважине, кабелей, ведущих к системе усиления, и цифрового записывающего устройства. Дизайн взрывных работ был улучшен за счет разработки компьютерных моделей для прогнозирования характеристик взрывных работ, включая фрагментацию, профиль грунта и проникновение трещин за взрывными скважинами. Входные данные для этих моделей включают геометрию выемки и схемы бурения и нагружения, характеристики детонации взрывчатых веществ и динамические свойства породы.

Масштабирование крыши и стен котлованов

Оборка — это снятие рыхлых каменных плит с крыш и стен котлованов. Это можно сделать вручную с помощью стального или алюминиевого скребка или с помощью механического скребкового станка. При ручном масштабировании горняк проверяет прочность породы, ударяя по крыше; барабанный звук обычно указывает на то, что земля рыхлая и должна быть перекрыта. Шахтер должен следовать строгим правилам, чтобы избежать травм при подъеме (например, перебираться с хорошей земли на непроверенную, поддерживать хорошую опору и свободную зону для отступления и следить за тем, чтобы у скалы было правильное место для падения). Масштабирование вручную требует значительных физических усилий и может быть сопряжено с высоким риском. Например, в Онтарио, Канада, одна треть всех травм, вызванных падением скалы, происходит при подъеме.

Использование корзин на выдвижных стрелах, чтобы горняки могли вручную оббирать высокие спинки, создает дополнительные угрозы безопасности, такие как возможное опрокидывание подъемной платформы из-за падающих камней. Механические установки для оборки в настоящее время широко используются во многих крупных горнодобывающих предприятиях. Оборочный блок состоит из тяжелого гидравлического отбойного молотка, скребка или ударного молота, установленных на поворотном рычаге, который, в свою очередь, прикреплен к мобильному шасси.

Наземная поддержка

Основная цель наземной поддержки - помочь массиву горных пород поддерживать себя. При армировании горных пород анкеры устанавливаются внутри массива горных пород. В каменной опоре, такой как стальные или деревянные наборы, внешняя поддержка обеспечивается скальной массе. Методы наземной крепи не нашли широкого применения в открытых горных работах и ​​карьерах, отчасти из-за неопределенности конечной геометрии карьера и отчасти из-за проблем с коррозией. Широкий выбор систем анкерной крепи доступен по всему миру. Факторы, которые следует учитывать при выборе конкретной системы, включают состояние грунта, запланированный срок службы котлована, простоту установки, доступность и стоимость.

Анкер с механической анкеровкой состоит из распорной втулки (доступны различные конструкции для разных типов горных пород), стального болта (с резьбой или с кованой головкой) и планшайбы. Распорный кожух обычно состоит из зубчатых лопастей из ковкого чугуна с коническим клином, нарезанным на одном конце болта. При вращении болта внутри отверстия конус вдавливается в лопасти и прижимает их к стенкам отверстия. Распорная оболочка увеличивает сцепление с породой по мере увеличения натяжения анкера. Доступны болты различной длины, а также ряд аксессуаров. Механические анкерные болты относительно недороги и поэтому наиболее широко используются для краткосрочной крепи в подземных шахтах.

Залитый дюбель состоит из ребристого арматурного стержня, который вставляется в скважину и прикрепляется к скальной породе по всей длине, обеспечивая долговременное армирование скального массива. Используются несколько видов цемента и полиэфирных смол. Раствор можно закачивать в скважину насосом или с помощью картриджей, что быстро и удобно. Доступны стальные и стеклопластиковые дюбели различных диаметров, а болты могут быть ненатянутыми или натянутыми.

Стабилизатор трения обычно состоит из стальной трубы с прорезями по всей длине, которая при попадании в скважину немного меньшего диаметра сжимается и создает трение между стальной трубой и породой. Диаметр скважины должен контролироваться с жесткими допусками, чтобы этот болт был эффективным.

Анкер Swellex состоит из эвольвентной стальной трубы, которая вставляется в скважину и расширяется под действием гидравлического давления с помощью переносного насоса. Доступны различные типы и длины трубок Swellex.

Залитый анкерный болт часто устанавливается для предотвращения обрушения и стабилизации крыш и стен подземных забоев. Обычно используется раствор на основе портландцемента, в то время как геометрия кабеля и процедуры установки различаются. Арматурные стержни большой мощности и скальные анкеры также используются в шахтах наряду с другими типами болтов, такими как трубчатые цементные болты с механической анкеровкой.

Стальные ленты или сетка, изготовленные из плетеной или сварной проволоки, часто устанавливаются в крыше или стенах проема для поддержки скалы между болтами.

Горнодобывающие предприятия должны разработать программу контроля качества, которая может включать различные полевые испытания, чтобы гарантировать эффективность наземной поддержки. Плохая установка наземной опоры может быть результатом неправильного проектирования (неправильный выбор типа, длины или схемы наземной опоры для условий грунта), некачественных материалов наземной опоры (поставляемых производителем или поврежденных во время обращения или из-за условий хранения). на руднике), недостатки при монтаже (неисправное оборудование, несвоевременность монтажа, недостаточная подготовка поверхности горных пород, плохая подготовка бригад или несоблюдение установленных процедур), непредвиденные на этапе проектирования последствия горных работ (изменения напряжений, разрушение/выкрашивание, вызванное напряжением или взрывом, релаксация швов или разрушение горных пород) или изменения конструкции шахты (изменения в геометрии выемки или увеличение срока службы, чем первоначально предполагалось).

Поведение армированных или поддерживаемых массивов горных пород остается не до конца изученным. Были разработаны эмпирические правила, эмпирические рекомендации по проектированию, основанные на системах классификации горных массивов и компьютерных программах. Однако успех конкретной конструкции во многом зависит от знаний и опыта инженера по наземному управлению. Скальная масса хорошего качества с небольшим количеством структурных разрывов и небольших отверстий с ограниченным сроком службы может требовать незначительной поддержки или вообще не требовать ее. Однако в этом случае могут потребоваться анкерные болты в отдельных местах для стабилизации блоков, которые были идентифицированы как потенциально неустойчивые. На многих шахтах анкерная крепь по шаблону, систематическая установка анкерных болтов на регулярной сетке для стабилизации кровли или стен, часто применяется для всех выработок. В любом случае майнеры и супервайзеры должны иметь достаточный опыт, чтобы распознавать области, в которых может потребоваться дополнительная поддержка.

Самая старая и простая форма опоры - деревянный столб; Деревянные подпорки и шпангоуты иногда устанавливаются при добыче полезных ископаемых через неустойчивый грунт. Стальные арки и стальные комплекты представляют собой элементы с высокой несущей способностью, используемые для поддержки туннелей или дорог. В подземных шахтах дополнительную и важную поддержку грунта обеспечивает засыпка шахты, которая может состоять из пустой породы, песка или хвостов обогащения и вяжущего вещества. Обратная засыпка используется для заполнения пустот, образовавшихся при подземных горных работах. Среди многих своих функций обратная засыпка помогает предотвратить крупномасштабные разрушения, ограничивает и, таким образом, обеспечивает остаточную прочность скальным столбам, позволяет передавать напряжения горных пород, помогает уменьшить оседание поверхности, обеспечивает максимальное извлечение руды и обеспечивает рабочую платформу при некоторых методах добычи.

Относительно недавней инновацией во многих шахтах стало использование торкрет, представляющий собой бетон, напыленный на скалу. Его можно наносить непосредственно на скалу без какой-либо другой формы поддержки или распылять на сетку и анкерные болты, образуя часть интегрированной системы поддержки. Можно добавлять стальные волокна вместе с другими добавками и составами смесей для придания определенных свойств. Существуют два различных процесса торкретирования: сухая смесь и мокрая смесь. Набрызг-бетон нашел множество применений в шахтах, в том числе для стабилизации забоев горных пород, которые в противном случае растрескались бы из-за их тесного соединения. В карьерах набрызг-бетон также успешно используется для стабилизации прогрессирующих разрушений. Другие недавние инновации включают использование полиуретановых напыляемых футеровок в подземных шахтах.

Чтобы эффективно функционировать во время горного удара, системы поддержки должны обладать рядом важных характеристик, включая деформацию и поглощение энергии. Выбор крепи в условиях горного удара является предметом текущих исследований в нескольких странах, и были разработаны новые рекомендации по проектированию.

В небольших подземных выработках ручная установка наземных опор обычно выполняется с помощью стопорного бура. При больших раскопках доступно полумеханизированное оборудование (механизированное бурение и ручное оборудование для установки анкерных болтов) и полностью механизированное оборудование (механизированное бурение и установка анкерных болтов, управляемые с пульта оператора, расположенного под крепящейся болтами крышей). Ручная установка наземной опоры представляет собой деятельность с высокой степенью риска. Например, в Онтарио, Канада, одна треть всех травм, вызванных падением горных пород в период 1986-1995 гг., произошла при установке анкерных болтов, а 8% всех подземных травм произошли при установке анкерных болтов.

К другим опасностям относятся возможные брызги цементного раствора или смолы в глаза, аллергические реакции от утечки химикатов и усталость. Установка большого количества анкерных болтов становится более безопасной и эффективной благодаря использованию механизированных анкерных станков.

Мониторинг состояния грунта

Мониторинг грунтовых условий в шахтах может осуществляться по разным причинам, в том числе для получения данных, необходимых для проектирования шахт, таких как деформируемость массива горных пород или напряжения горных пород; проверка расчетных данных и допущений, что позволяет калибровать компьютерные модели и корректировать методы добычи для повышения устойчивости; оценка эффективности существующей наземной поддержки и, возможно, указание на установку дополнительной поддержки; и предупреждение о возможных замыканиях на землю.

Мониторинг состояния грунта может осуществляться как визуально, так и с помощью специализированных приборов. Наземные и подземные осмотры должны проводиться осторожно и при необходимости с помощью инспекционных фонарей высокой интенсивности; горняки, инспекторы, инженеры и геологи играют важную роль в проведении регулярных проверок.

Визуальные или звуковые признаки изменения грунтовых условий в шахтах включают, но не ограничиваются состоянием керна алмазного бурения, контактами между породами, барабанообразным грунтом, наличием структурных особенностей, очевидной нагрузкой на грунтовую крепь, вздутием пола, новыми трещинами. на стенах или крыше, грунтовых водах и провалах опор. Горняки часто полагаются на простые инструменты (например, деревянный клин в трещине), чтобы обеспечить визуальное предупреждение о движении кровли.

Планирование и внедрение системы мониторинга включает в себя определение цели программы и контролируемых переменных, определение требуемой точности измерений, выбор и установку оборудования, а также установление частоты наблюдений и средств представления данных. Оборудование для мониторинга должно устанавливаться опытным персоналом. Важными соображениями являются простота прибора, резервирование и надежность. Проектировщик должен определить, что представляет собой угрозу безопасности или остойчивости. Это должно включать подготовку планов на случай непредвиденных обстоятельств в случае превышения этих уровней предупреждения.

Компоненты системы мониторинга включают датчик, реагирующий на изменение контролируемой переменной; передающую систему, которая передает выходные данные датчика в место считывания с помощью стержней, электрических кабелей, гидравлических линий или линий радиотелеметрии; блок считывания (например, циферблатный индикатор, манометр, мультиметр или цифровой дисплей); и блок записи/обработки (например, магнитофон, регистратор данных или микрокомпьютер).

Существуют различные режимы работы прибора, а именно:

• механический: часто обеспечивают самые простые, дешевые и надежные методы обнаружения, передачи и считывания. В механических детекторах движения используется стальной стержень или лента, закрепленная на скале одним концом и контактирующая с циферблатным индикатором или электрической системой на другом. Главный недостаток механических систем в том, что они не поддаются удаленному считыванию или непрерывной записи.
• оптический: используется в обычных, точных и фотограмметрических методах съемки для установления профилей выемки, измерения перемещений границ выемки и мониторинга оседания поверхности.
• гидравлические и пневматические: мембранные преобразователи, которые используются для измерения давления воды, опорных нагрузок и т. д. Измеряемая величина представляет собой давление жидкости, которое действует на одну сторону гибкой диафрагмы из металла, резины или пластмассы.
• электрический: наиболее распространенный инструментальный режим, используемый в шахтах, хотя механические системы по-прежнему широко используются для контроля перемещений. Электрические системы работают на одном из трех принципов: тензодатчик электрического сопротивления, вибрирующий провод и собственная индуктивность.

Наиболее часто отслеживаемые переменные включают движение (с использованием методов съемки, наземных устройств, таких как датчики трещин и ленточные экстензометры, скважинных устройств, таких как стержневые экстензометры или инклинометры); напряжения горных пород (абсолютное напряжение или изменение напряжения от скважинных устройств); давление, нагрузка и напряжение на наземные опорные устройства (например, тензодатчики); сейсмические явления и взрывные колебания.

Назад