Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Физико-технические методы управления состоянием массива при разработке крутопадающих жил на больших глубинах

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Гораш, Юрий Юрьевич

Введение

1. Анализ современного состояния физико-технических средств управления кровлей при разработке крутопадающих жил

1.1. Анализ физико-технических средств управления горным давлением на зарубежных и отечественных рудниках

1.2. Классификация способов и средств поддержания очистного пространства при подземной разработке жильных месторождений

1.3. Анализ развития физико-технических средств управления горным давлением на Дарасунском руднике

1.4. Перспективы разработки Дарасунского золоторудного месторождения

1.5. Цель и задачи исследований

2. Исследование геомеханических процессов при разработке жильных золоторудных месторождений

2.1. Напряженно-деформированное состояние массива под воздействием гравитационного поля

2.2. Динамические проявления горного давления

2.3. Влияние горно-геологических и горно-технических факторов на напряженно-деформированное состояние массива

2.4. Выводы

3.Математическое моделирование напряжено деформированного состояния массива на глубоких горизонтах Дарасунского рудника

3.1. Методика моделирования с помощью метода конечных элементов

3.2.Физико-механические свойства горных пород Дарасунского золоторудного месторождения

3.3. Формулировка задачи и граничных условий.

3.4. Анализ результатов исследований jqq

3.5. Выводы 111 4. Разработка методики расчета целиков и оценка экономической эффективности способов управления горным давлением при разработке глубоких горизонтов Дарасунекого месторождения

4.1. Методика расчета устойчивости целиков на Дарасунском руднике

4.2. Технике- экономическая оценка эффективности управления

4.2.1. При проведении горизонтальных разгрузочных щелей

4.2.2. При оставлении в блоке барьерных целиков

4.2.3. При увеличении высоты подштрекового целика

4.2.4. При использовании искусственных ж/б целиков

4.2.5. При переходе на систему с закладкой

4.3. Выводы 131 Заключение 133 Список литературы 137 Приложения

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Физико-технические методы управления состоянием массива при разработке крутопадающих жил на больших глубинах"

В настоящее время на территории России более 60 % запасов руд цветных, редких и благородных металлов добывается из жильных месторождений различными вариантами систем с магазинированием руды [ 1 ]. Однако область применения этих систем не беспредельна. На большинстве длительно эксплуатируемых горнорудных предприятий на глубине 40СН500 м был произведен вынужденный переход от этих систем к системам с закладкой очистного пространства, что вызвано возрастанием горного давления. Таким образом, обоснованием возможности применения систем с магазинированием руды на глубинах превышающих 500+600 м является одной из наиболее актуальных задач разработки жильных месторождений.

Основной целью диссертации является обоснование возможности применения систем с магазинированием руды на глубоких горизонтах. Возможность решения этого вопроса определяется следующим: 1) горные работы остановились на отметке 700 м; 2) установлено, что промышленное оруденение прослеживается до глубин, превышающих 1000 м; 3) при разведочных работах был выявлен целый ряд новых «слепых» жил на глубоких горизонтах.

С увеличением глубины разработки, еще на отметках 400+500 м от поверхности, существенно изменились физико-механические свойства пород, что было обусловлено увеличением горного давления. Уменьшение устойчивости вмещающих, многочисленные случаи самообрушения в блоках поставили руководство рудника перед проблемой либо перейти на более трудоемкие системы , что несомненно ухудшит экономические показатели рудника, либо путем изменения параметров применяемых систем разработки и принятия мер по устойчивости вмещающих пород добиться их сохранения. Успешность решения данных вопросов определяется тем, что система с 5 магазинированием руды уже применялась на Дарасунском руднике на глубинах 700 м.

В процессе работы над диссертацией были проведены следующие исследования:

1. изучены физико-механические свойства горных пород;

2. определено влияние горно-геологических и горно-технических факторов на общее напряженное состояние массива;

3. определены параметры проведения разгрузочных, горизонтальных щелей;

4. найдены способы и параметры возведения междуэтажных железобетонных целиков;

5. изучены изменения в массиве после оформления внутриблоковых барьерных целиков;

6. разработан способ уменьшения горного давления с понижением глубины работ оставлением подштрековых целиков увеличенной высоты;

7. уточнены имеющиеся методики расчета напряжений в целиках;

8. проведен экономический анализ эффективности данных исследований.

Проводимые исследования осуществлялись методом обобщения накопленного фактического материала, проведением лабораторных испытаний, расчетными методами с применением метода математического моделирования.

Указанные исследования проводились автором в сотрудничестве с к.т.н. Федоровой Е. А., которой автор выражает благодарность.

Автор также выражает искрению признательность научному руководителю профессору, доктору технических наук А. В. Рашкину за постоянное внимание и направление во время всей работы, кандидату технических наук Пирогову Г. Г. за помощь на первых этапах работы, доктору технических наук Воронову Е. Т., кандидатам технических наук Сосновскому 6

Л. И. и Зайцеву Б. М. за ценные советы и замечания. Благодарит за поддержку и помощь Нечаева Ю. Д.

Результаты исследований докладывались на 2-ой конференции Горного института в 1999 г., 3-ей конференции в 2000 г. и 2-ой международной конференции ЧГТУ в 2001 г.

Основные положения диссертации опубликованы в сборниках Горного института [ 2, 3 ], ЧитГТУ [ 4, 5 ], вестниках МАНЭБ [ 6 ] и Московских горных журналах [ 7, 8 ].

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложенных на 137 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, 50 таблиц, список литературы из 41 наименования и 2 приложений.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Гораш, Юрий Юрьевич

4.3. Выводы.

1. Себестоимость отработки очистной камеры при с параметрами системы с магазинированием применяемыми на руднике по приблизительным расчетам составило 48,81 руб/т. Стоимость отработки блока получилась равной 140133,51руб.

2. Расчет по предлагаемому способу уменьшения напряжения в районе очистного блока с проходкой горизонтальных разгрузочных щелей в висячий и лежачий бока отбиваемой жилы дал увеличение себестоимости отбойки 1 т руды до 288,79 руб/т.

3. Оставление в камере блоковых, естественных целиков для уменьшения опасных растягивающих напряжений возникающих на стенках камеры позволило снизить стоимость отработки блока, которая составила 129941,98 руб.

4. Увеличение высоты подштрекового целика позволяющее безопасно вести очистные работы на глубинах ниже 700 м, при оставлении целиков высотой 5 и 10 м, дало стоимость отбойки блока соответственно 124209,25 и 108284,99 руб.

5. Себестоимость возведения на почве вентиляционного штрека искусственных, железобетонных целиков снижающих величину сжимающих напряжений возникающих в кровле и почве штрека получилась равная 116,07 руб/т.

6. Наблюдаемое заметное снижение стоимости отработки блока при применении способов при оставлении в блоке естественных блоковых целиков и подштрековых целиков увеличенной высоты возможно будет снижено после подсчета оставляемой руды (потери). В данной работе не ставится задача детального расчета предлагаемых способов, чем определяет предпосылки для будущих исследований в этом направлении.

7. Приблизительный расчет себестоимости отбойки 1 т руды в случаях с проходкой разгрузочных щелей и сооружением искусственных целиков показавший увеличение стоимости почти в 3 раза оправдывается снижением ава

132 рийности работ и увеличением безопасности работающих что является основным фактором определяющим все производственные процессы в блоке и работу всего рудника в целом.

Заключение.

В результате выполненных исследований дано решение актуальной научной задачи повышения эффективности и безопасности разработки крутопадающих жильных месторождений на больших глубинах в условиях возрастающего горного давления и реальной опасности возникновения горных ударов.

Основные научные и практические результаты работы сводятся к следующему:

1. Горно-технические условия Дарасунского рудника являются в настоящее время наиболее сложными среди всех разрабатываемых жильных золоторудных месторождений, что обусловлено значительным увеличением глубины разработки ( до 700 м) и, как следствие повышением горного давления с резким снижением устойчивости вмещающих пород.

2. В результате обобщения опыта применения системы разработки с магазинированием на отечественных и зарубежных рудниках было выявлена тенденция к увеличению глубины ведения горных работ и как следствие возрастание напряжений в массиве. Для борьбы с горным давлением применяют различные способы поддержания пространства. От деревянной стоечной и кустовой крепи до гидромеханизированной и пневмобалонной крепи. Практикуется изменение систем разработки с дополнениями в существующую комбинируя ее с другими системами (с магазинированием и закладкой или с креплением и закладкой) или даже полностью меняя систему отработки.

3. В результате анализа применяемых способов и средств поддержания очистного пространства при разработке жил нами была предложена классификация способов и средств поддержания очистного пространства при подземной разработке месторождений полезных ископаемых. Известные способы по различным признакам были разделены на классы, группы, подгруппы и виды. В качестве критериев деления были использованы материал

134 из которого изготавливается крепь, место установки крепи, форма и место оформления целиков.

4. После проведенных натурных измерений на различных глубинах рудника «Дарасунский» было выявлено, что наибольшая величина напряжений, вопреки предположениям оказалась направлена горизонтально по простиранию рудных тел. Замеренные вертикальные, горизонтальные напряжения направленные вкрест и по простиранию жил свидетельствуют о превышении горизонтальных значений над вертикальными почти в 2 раза. Одно из возможных объяснений этому факту - незаконченное геологическое формирование дна озера Байкала, то есть присутствие в массиве тектонических сдвижений, оказывающих большее воздействие на создание общей геомеханической обстановки в массиве, чем гравитационные напряжения.

5. Немаловажное значение имеет ориентировка трещин по отношению к жиле, материал заполнения трещины и размер раскрытия трещины. Наиболее потенциально опасными являются жилы в районе залегания которых трещины располагаются под острым углом или согласно простиранию жилы как правило ничем незаполненные или заполненные глинкой трения. Менее удароопасными являются жилы-трещины к которым располагаются под прямым углом слабо раскрытые и заполнены мелко зернистыми прочными материалами.

6. Для решения поставленных задач диссертации применялся метод математического моделирования для решения упруго-пластической задачи, позволяющей прослеживать возрастание давления в моделируемых образцах вплоть до полного разрушения. Определять величины смещений массива по осям ориентированных перпендикулярно друг другу. Определять величину нормальных в], а2 и касательных напряжений тху, главных напряжений ох, ау, которые направлены таким образом, что касательные напряжения равны О тху=0. Математическое моделирование напряжений позволяет отслеживать нарастание напряжений по шагам (итерации) распределения критических

135 напряжений на соседние элементы массива до установки равновесия или разрушения.

7. Математическим моделированием и расчетным методом установлено, что совершенствование системы с магазинированием руды целесообразно применением следующих способов:

-проходки горизонтальных разгрузочных щелей, позволяющих «уводить» напряжения вглубь массива от очистного блока;

-оформление по центру камеры блоковых целиков установленных размеров, что позволяет уменьшать опасные растягивающие напряжения, возникающие на стенках висячего и лежачего боках жилы;

-с понижением добычных работ увеличение высоты подштрекового целика до 5 и впоследствии в зависимости от увеличивающегося напряжения 10 м;

-возведение искусственных железобетонных надштрекового и наштрекового целиков, обеспечивающих достаточную устойчивость вмещающих пород и благоприятные условия выпуска руды.

8. Усовершенствована методика расчета определения оптимальных размеров целика. Расчет допустимых напряжений с учетом фактора горизонтальных напряжений направленных по простиранию рудного тела позволяет повысить достоверность инженерных расчетов напряженного состояния горного массива при системе с магазинированием

9. Проведенный расчет экономической эффективности показал что предлагаемые методы несколько увеличат затраты предприятия на внедрение, испытание и использование их в работе, что несомненно окупит себя улучшением общей геомеханической ситуации на руднике, уменьшением аварий связанных с проявлениями горного давления при ведении очистных и проходческих работ и снижением опасности травматизма работающих на руднике. Все вышеперечисленные социальные аспекты этой проблемы играют

136 решающую роль в постановке главной задачи стоящей перед руководством предприятия для успешной работы рудника.

10. В результате выполненных исследований в целом доказана возможность, эффективность и безопасность усовершенствованной системы с магазинированием руды для отработки глубоких горизонтов Дарасунского рудника, что позволяет избежать применения дорогостоящей системы с закладкой выработанного пространства. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов исследований составит около 15 млн. руб. в год.

138 месторождения. На депонировании: Горный информационно-аналитический бюллетень Московского государственного горного университета № 8 от 1999 г.

8. Вашенков В. Е., Гораш Ю. Ю. Исследования горного давления в условиях Дарасунского рудника. - Безопасность труда в промышленности 2001 №6 с. 39-41

9. Агошков М. И., Малахов Г. М. Подземная разработка рудных месторождений. - М.: Недра. 1966

10. Назарчик А. Ф., Олейников И. А., Богданов Г. И., Разработка жильных месторождений. - М.: Недра. 1977

11. Дорошенко В. И., Смирнов О. Ю. Условия удароопасности при разработке рудных месторождений. /Горный журнал. № 11-12. 1996

12. Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, объектах строительства подземных сооружений, склонных и опасных по горным ударам (РД 06-329-99)/Кол. Авторов.- М.: ГП НТЦ Промбезопасность, 2000

13. Рафиенко Д. И. Системы с магазинированием руды при разработке жильных месторождений. - М.: Недра. 1967

14. Нечаев Ю. Д. Исследование и внедрение системы с магазинированием руды на глубоких горизонтах тонкожильных крутопадающих месторождений (на примере Дарасунского рудника): Дис. канд. техн. Наук.- Иркутск. 1974

15. Кацауров И. Н. Горное давление. М.: Московский горный институт.

1972

16. ФрохтМ. Фотоупругость. Т.1. Ленинград.: ОГИЗ. 1948

17. Трумбачев В. Ф. Изучение распределения напряжений вокруг горных выработок оптическим методом. Сб. Исследование горного давления. М.:Госгортехиздат. 1966

18. Указания по безопасному ведению горных работ на Дарасунском месторождении, склонном к горным ударам. - Иркутск. : Иргиредмет. 1991

139

19. Курсакин Г. А. Задачи и результаты научных исследований по технологии разработки золоторудных месторождений Дальнего Востока. Доклады семинара: Добыча золота. Проблемы и перспективы. Хабаровск.: ИГД ДВО РАН. 1997

20. Нечаев Ю. Д., Петросян В. Г., Цихоня М. Л., Карпов В. С. Система с магазинированием руды, применяемая при разработке глубоких горизонтов Дарасунского месторождения. /Материалы всесоюзного семинара.-Совершенствование систем и технологии разработки жильных месторождений. -Владивосток: Дальневосточное книжное издательство. 1975

21. Исследование устойчивости естественных и искусственных надштрековых и подштрековых и уточнение рекомендаций по снижению удароопасности на Дарасунском руднике. Отчет о НИР (закл.)/Иргиредмет. -Иркутск. 1986

22. Разработка безопасной технологии ведения горных работ в условиях повышенного горного давления на глубоких горизонтах Дарасунского месторождения и уточнение мероприятий по снижению напряженного состояния в одиночных горных выработках. Отчет о НИР (закл.)/ Иргиредмет.-Иркутск. 1991

23. Исследование напряженного состояния и удароопасности подрабатываемого массива горных пород на удароопасных участках Дарасунского месторождения: Информационная записка о НИР/Иргиредмет. -Иркутск. 1988

24. Юн Р. Б., Герасименко В. И., Малышев В. Н. О динамических формах проявления горного давления на Жезказганском месторождении/ Горный журнал. № 3. 1997

25. Сосновский Л. И. Определение параметров целиков при разработке крутопадающих золоторудных месторождений средней мощности: Дис. канд. тех. наук.-Иркутск. 1984

140

26. Изучение проявлений горного давления при разработке Дарасунского месторождения на нижних горизонтах. Отчет о НИР/ ВНИМИ,-Ленинград. 1963

27. Определение физико-механических свойств напряженных горных пород на глубоких горизонтах Дарасунского рудника и изыскание рациональных параметров горных работ. Отчет о НИР/ ИПИ. 1969

28. Глушко В. Т., Виноградов В. В. Разрушение горных пород и прогнозирование горного давления. М.: Недра. 1982

29. Фадеев А. Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра.

1987

30. Амусин Б. 3., Фадеев А. Б. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики. М.: Недра. 1975

31. Глушко В. Т. Гавеля С. Л. Оценка напряженно-деформированного состояния массива горных пород.-М.:Недра. 1986

32. Баклашов И. В., Картозия Б. А. Механика горных пород. М.: Недра.

1975

33. Галаев Н. 3., Управление состоянием массива горных пород при подземной разработке рудных месторождений. М.: Недра. 1990

34. Гузеев Р. Н. Упругопластический анализ средствами МКЭ напряженно-деформированного состояния мостовых и геотехнических конструкций на автомобильных дорогах. Автореферат дис. канд. тех. наук. -Воронеж. 2001

35. Неганов Н. П., Коваленко В. И., Зайцев Б. М., Казаченко Ю. А., Сосновский Л. И. и др. Технология разработки золоторудных месторождений.-М. : Недра. 1995

36. Разработка и внедрение нормативных документов по расчету параметров конструктивных элементов систем разработок и безопасному ведению горных работ на удароопасных участках Дарасунского месторождения. Отчет о НИР/ Иргиредмет.- Иркутск. 1989

141

37. Справочное пособие по экономическим расчетам в курсовых проектах. Учеб. пособ. / Ефремов В. Н., Лисихин В.Г., Медведев В.В., Пирогов Г.Г.-Чита: ЧитГТУ, 1999

38. Подземные горные работы. Методические указания,- Чита.: ЧитПИ.

1993

39. Именитов В. Р. Технология, механизация и организация производственных процессов при подземной разработке рудных месторождений.-М.:Недра. 1973. с. 394

40. Ляхов А. И. Технология разработки жильных месторождений. -М.:Недра. 1984. с. 29

41. Медведев В. В. Практикум по дисциплине «Внутришахтный транспорт»: учеб. пособ,- Чита: ЧитГТУ. 2000