Форма поперечного сечения выработок зависит от физико-механических свойств пересекаемых ими пород, срока службы выработки, назначения, а также свойств материала крепи.
Наиболее распространенной формой поперечного сечения вертикальных стволов является круглая, редко им придают прямоугольную форму. Для крепления стволов, имеющих круглую форму поперечного сечения, применяют монолитный бетон, чугунные тюбинги, а прямоугольную — дерево.
Формы поперечных сечений горизонтальных и наклонных выработок более разнообразны. При деревянной крепи выработкам придают форму прямоугольника или трапеции (рис. 1.4), при бетонной — типичной является сводчатая форма с вертикальными боковыми стенками, при металлической — арочная, при сборной железобетонной — полигональная, прямоугольная, арочная. В зависимости от величины и направления давления горных пород (бокового или со стороны почвы) выработкам придают круглую, подковообразную или овальную форму.
Размеры поперечного сечения выработки определяются габаритами подъемных сосудов или транспортного оборудования (клети, скипы, вагонетки, электровозы, конвейеры и др.), необходимыми зазорами между крепью и указанным оборудованием, а также количеством воздуха, который должен проходить по выработке. Необходимо, чтобы площадь поперечного сечения выработок обеспечивала бы перемещение по ним воздуха со скоростями не более предельно допустимых; в стволах, предназначенных только для спуска и подъема грузов, — 12 м/с; в стволах, используемых для подъема людей, в квершлагах, откаточных и вентиляционных штреках, капитальных и панельных бремсбергах и уклонах — 8 м/с; во всех прочих горных выработках, проведенных по углю и породе — 6 м/с; в рабочем пространстве очистных забоев — 4 м/с.
В вертикальных стволах дополнительно учитываются расположение и число подъемных сосудов, наличие другого оборудования (лестничное отделение, трубопроводы, электрокабели и др.), а в горизонтальных и наклонных выработках — число рельсовых путей.
Площадь сечения выработки, определяемая по внутренним образующим крепи, называется площадью сечения в свету. Площадь поперечного сечения круглых стволов в свету характеризуется диаметром ствола, который принимается от 4 до 8,5 м с интервалом через 0,5 м (площадь сечения от 12,6 до 56,7 м2).
Минимально допустимая площадь поперечного сечения горизонтальных и наклонных выработок составляет 3,7 м2. Отдельные выработки имеют площадь сечения 20—25 м2.
Для облегчения определения размеров поперечного сечения выработок на производстве и при проектировании, а также для типизации характеризующих выработку параметров, проектными организациями разработаны типовые сечения различных горизонтальных и наклонных горных выработок с учетом особенностей разработки месторождений, различных видов крепи и применяемого транспортного оборудования.
По форме рудные тела подразделяют на:
• пластовые – имеют осадочное происхождение и отличающиеся значительной площадью и небольшой выдержанной мощностью (к ним относятся марганцевые руды Чиатурского и Никопольского месторождений, калийные соли в районе Солигорска в Белоруссии, золотосодержащие россыпи Якутии и Дальнего Востока, гипсовое месторождение в Новомосковске) и многие другие;
• пластообразные – отличающиеся от пластов менее выдержанной формой при сравнительно плавном изменении мощности и угла падения; залегают обычно согласно с вмещающими породами (примерами являются железорудные залежи Криворожского бассейна и медистые песчаники Джезказгана);
• линзообразные – в сечении напоминают линзы (из таких рудных тел состоят многие полиметаллические месторождения Рудного Алтая в Восточном Казахстане, Уральские медноколчеданные месторождения и ряд других);
• жильные – образованные в результате заполнения минеральным веществом трещин земной коры, главным образом, благодаря гидротермальным процессам и пневматолизу; мощность жил меняется от нескольких сантиметров до 5 м; элементы залегания обычно непостоянны; нередко жилы нарушены сбросами и имеют многочисленные ответвления и параллельные прожилки (золотосодержащие жилы разрабатываются в Якутии, Магаданской области и на Урале, оловосодержащие – в Приморье и Забайкалье, полиметаллические – на Северном Кавказе);
• трубы (трубки) – прорывы земной коры расплавленной магмой, с которой связана последующая рудная минерализация (кимберлитовые месторождения Якутии, Архангельской обл., ЮАР, Австралии и Канады);
• массивные (изометрические) рудные тела неправильной формы имеют самые различные размеры и резко бессистемно изменяющиеся элементы залегания. К массивным рудным телам относятся: штокверки, штоки и рудные гнезда.
- штокверки – оруденелые массивы, состоящие из густой сети различно ориентированных рудных прожилков и линзочек, сконцентрированных в некотором объеме породы.
- штоки – оруденелые массивы пород неправильной формы и очень больших размеров, примерно одинаковых по всем направлениям.
- рудные гнезда – скопление оруденений небольших размеров (примером штока является Коунрадское медное месторождение, а рудные гнезда составляют Хайдарканское ртутное месторождение).
Элементы залегания рудных тел (мощность и угол падения) разнообразны.
По мощности рудные тела принято классифицировать на:
• тонкие (мощностью меньше 0,8 м), при выемке которых обязательна подрывка вмещающих пород;
• маломощные (мощностью от 0,8 до 4 – 5 м), при отработке которых возможно применение распорной крепи и не используется скважинная отбойка;
• средней мощности (от 5 до 15 м), при отработке которых очистные блоки (камеры) располагают длинной стороной по простиранию залежи (разработка по простиранию);
• мощные (мощностью от 15 до 60 м), при отработке которых очистные блоки располагают длинной стороной вкрест простирания залежи (разработка вкрест простирания);
• весьма мощные (мощностью более 60 м), при отработке которых, если они крутые, этаж разделяют на очистные блоки не только по простиранию, но и вкрест простирания, а если они пологие, то производят разделение залежи на этажи.
По углу падения рудные тела разделяют на:
• горизонтальные (с углом падения 3°) что делает возможной рельсовую откатку по подошве залежи;
• пологие (с углом падения от 3 до 20°), разрабатываемые обычно без разделения на этажи с расположенным в породах лежачего бока концентрационным горизонтом, по которому производится откатка руды;
• наклонные (с углом падения от 20 до 55°), разрабатываемые с разделением по падению на этажи, но отличающиеся тем, что наклон лежачего бока недостаточен для скатывания по нему отбитой руды под действием собственного веса;
• крутые (с углом падения более 55°), разрабатываемые с разделением по падению на этажи, причем отбитая руда может скатываться по лежачему боку под действием собственного веса.
Горный массив – твердая среда, обладающая определенными свойствами: первичной сплошностью при наличии слоистости, пористости и трещиноватости; малой подвижностью, возникающей только при значительных усилиях; разрывом сплошности при сдвижении; проницаемостью для газов и жидкостей.
Разнообразие физико-механических свойств горных пород и механических состояний породных массивов очень велико, причем нередко они взаимосвязаны и взаимозависимы. Поэтому естественно стремление при решении конкретных производственных и проектных задач горного дела пользоваться ограниченным числом основных горно-технологических характеристик, каждая из которых комплексно учитывает влияние группы отдельных физико-механических свойств и особенностей поведения горных пород.
К горно-технологическим характеристикам пород в массиве можно отнести крепость, абразивность, устойчивость и трещиноватость, а к характеристикам пород и руд, отделенных от массива и раздробленных: кусковатость и сыпучие свойства, включая слеживаемость.
Под крепостью горной породы понимается относительная сопротивляемость разрушению при добыче, то есть способность породы противостоять силовым воздействиям.
Количественно крепость оценивается безразмерным коэффициентом, который приближенно характеризует относительную сопротивляемость породы всем основным видам силовых воздействий (бурению, взрыванию, различным проявлениям горного давления).
Коэффициент крепости f был предложен проф. М. М. Протодьяконовым в начале ХХ века и до сих пор используется при укрупненных инженерных расчетах и в практической деятельности рудников.
Коэффициент крепости f величина безразмерная.
В классификации горных пород по крепости проф. М. М. Протодьяконовым выделено 10 классов (с изменением f от 0,3 до 20). Многолетняя практика показала, что часто достаточно укрупненной классификации пород по крепости, в которой выделено четыре категории пород:
• мягкие (f < 4);
• средней крепости (4 > f > 8);
• крепкие (8 > f > 16);
• крепчайшие (f > 16).
Абразивность – способность руды или породы истирать контактирующие с ней узлы и детали горного инструмента и механизмов в процессе их работы. Причем обычно трущиеся о породу детали горных машин изнашиваются быстрее, чем те детали, которые подвергаются ударным нагрузкам. Абразивность породы, находящейся в раздробленном состоянии, более высокая, чем в массиве, т.к. удельный контакт выше.
Абразивность пород в массиве оценивается по величине уменьшения массы (мг) стандартного цилиндра из углеродистой стали при прижатии его к породе с осевой нагрузкой 150 Н и частоте вращения 400 мин-1 в течение 10 мин. Сравнивая степень истирания этого стержня разными породами, можно охарактеризовать их относительную абразивность.
По степени абразивности горные породы и руды можно разделить на пять категорий:
• неабразивные, относительная абразивность которых? = 1 (каменные и калийные соли, марганцевые руды, а также каменный уголь);
• малоабразивные, имеющие? = 1,5 – 3 (сплошные сульфидные руды и бурые железняки);
• среднеабразивные, имеющие? = 3 – 6 (кварцево-сульфидные руды и рудные жилы);
• абразивные, имеющие? = 6 – 12 (рудные скарны и окварцованные сланцы);
• высокоабразивные, имеющие? = 12 – 20 и более (порфириты, диориты, нефелиновые сиениты).
Обычно чем выше крепость, тем выше абразивность (данные величины прямо пропорциональны). Исключение составляют корундосодержащие породы, например, некоторые виды бокситов. Высокая крепость и абразивность свойственна большинству руд, слагаемых рудные месторождения. Поэтому отделение руды от массива ведется буро-взрывным способом, а детали машин и отдельные узлы изготавливаются из прочных металлов и материалов.
Устойчивость горных пород – способность массива пород не разрушаться и сохранять равновесие при создании обнажений.
Крепость и устойчивость нередко взаимосвязаны: более крепкие породы чаще всего и более устойчивы. Но это бывает далеко не всегда. Например, крепкий, но сильнотрещиноватый гранит неустойчив, а обнажения значительных размеров мягкой и пластичной каменной соли могут длительное время не иметь вывалов и обрушений. Устойчивость руд и пород оказывает решающее влияние на выбор технологии добычи и способа поддержания очистного пространства при выемке полезного ископаемого. Единого общепринятого показателя, полностью характеризующего устойчивость пород в массиве, пока нет. Обычно при оценке устойчивости пользуются величиной либо допустимого пролета незакрепленного обнажения (в протяженных горных выработках), либо площади обнажения (в камерных выработках, когда размеры обнажения в двух взаимно перпендикулярных измерениях отличаются не более чем в 2 – 4 раза).
При этом имеет значение длительность стояния обнажения, и соответствующее данной устойчивости технологическое решение по управлению горным давлением.
При подземной разработке руд массивы пород по устойчивости классифицируют следующим образом:
• слабые и неустойчивые руды, не допускающие обнажений и требующие при разработке усиленного крепления;
• малоустойчивые, допускающие обнажения без крепления шириной до 3 м;
• средней устойчивости (допустимая площадь обнажения до 50 – 100м2);
• устойчивые (допустимая площадь обнажения до 200 – 500м2);
• весьма устойчивые (допустимая площадь обнажения 800 – 1000 м2 и более).
Трещиноватость сильно влияет на устойчивость руд и пород. Как отмечалось ранее сильнотрещиноватый массив крепких руд или пород – неустойчив.
Трещиноватость – совокупность трещин разных размеров и разного направления, которые разделяют массив на блоки – отдельности.
Трещина – разрыв сплошности массива горной породы.
Трещины бывают пустые и заполненные водой, мелким несвязным раздробленным, либо монолитным сцементированным материалом, имеющим свойства, отличающиеся от свойств окружающих трещину пород. Так же трещины бывают выдержанные по направлению или могут иметь различную направленность.
По происхождению трещины в массиве разделяются на:
• эндогенные, являющиеся результатом усадки вещества и разрыва его сплошности в процессе диагенеза;
• экзогенные, образующиеся в результате нарушения естественного равновесного состояния массива на более поздних стадиях его сложения в результате воздействия тектонических процессов;
• технологические трещины – от воздействия горного давления, обусловленные выполнением технологических процессов по добыче полезного ископаемого.
Трещиноватость руды и вмещающих пород встречается различная:
• отдельные трещины;
• сплошная сеть редких трещин (через 1 – 2 метра и более);
• сплошная сеть густых трещин (через 0,1 – 0,3 метра).
На рудниках трещиноватость чаще всего оценивают по показателю удельной трещиноватости N – числу трещин, приходящихся на 1 м длины. Удельную трещиноватость измеряют с помощью специального прибора, вводимого в шпур на глубину до 5 м и позволяющего осматривать и фиксировать состояние, размеры и положение каждой трещины на стенках шпура.
Вызванное трещиноватостью снижение прочности руды или вмещающей породы в массиве оценивают коэффициентом структурного ослабления?, равным отношению сцепления отдельного куска руды (породы) при отрыве от массива к сцеплению ее в образце (куске). Сцепление по трещинам и тектоническим нарушениям в изверженных и метаморфических породах, а также по контактам слоев осадочных пород обычно составляет 0,05 – 0,1 МПа. Зацепление же отдельностей, образуемых трещинами и ослаблениями, из-за неровностей и изменения направления последних может быть и более значительным.
Руды и породы по степени трещиноватости классифицируют следующим образом:
• чрезвычайно трещиноватые (N > 10;? = 0,01 – 0,065);
• сильнотрещиноватые (N = 2 – 10;? = 0,05 – 0,15);
• среднетрещиноватые (N =1 – 2;? = 0,15 – 0,5);
• малотрещиноватые (N = 0,65 – 1;? = 0,5 – 0,9);
• монолитные (N = 0,65;? = 0,8 – 0,98).
Помимо того, что трещиноватость имеет, подчас, решающее значение для устойчивости, она оказывает влияние на дробимость руды и вмещающих пород при отбойке. Так, густая сеть трещин часто способствует хорошему взрывному дроблению руды и вмещающих пород, тогда как редкие трещины увеличивают выход негабаритных кусков.
Негабарит – кусок отбитой руды или породы, размером превышающим кондиционный размер.
Кондиционный размер куска устанавливается при проектировании рудника, исходя из свободной (без застревания) проходимости рудной массы по всей технологической цепочке добычи.
Кондиционный размер зависит от поперечных размеров выпускных выработок, типов оборудования, применяющегося на доставке, транспорте и подъеме, наличием или отсутствием дробильных установок и потому выбираются в совокупности со всеми параметрами технологии.
Габаритный размер куска может изменяться в широких пределах и составляет от 200 до 1500 мм. Если ствол оборудован скипом, то по нему перемещаются куски до 500 мм. Куски большего диаметра подлежат дроблению на подземных дробилках, установленных около ствола.