Геомеханическое обеспечение камерно-столбовой системы разработки удароопасных месторождений Североуральского бокситового бассейна на больших глубинах

Сидоров, Дмитрий Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Геомеханическое обеспечение камерно-столбовой системы разработки удароопасных месторождений Североуральского бокситового бассейна на больших глубинах
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Геомеханическое обеспечение камерно-столбовой системы разработки удароопасных месторождений Североуральского бокситового бассейна на больших глубинах"

9 15-5/944

На правах рукописи

СИДОРОВ Дмитрий Владимирович

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАМЕРНО-СТОЛБОВОЙ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ

УДАРООПАСНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СЕВЕРОУРАЛЬСКОГО БОКСИТОВОГО БАССЕЙНА НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный консультант -

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Шабаров Аркадий Николаевич

Официальные оппоненты:

Еременко Андрей Андреевич доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. H.A. Чи-накала Сибирского отделения Российской академии наук, заместитель директора по научной работе

Лукичев Сергей Вячеславович доктор технических наук, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, временно исполняющий обязанности директора института

Рассказов Игорь Юрьевич доктор технических наук, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела Дальневосточного отделения Российской академии наук, директор института

Ведущая организация - федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук.

Защита диссертации состоится 16 декабря 2015 г. в 13 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. №1171а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 16 сентября 2015 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

КАЗАНИН Олег Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Алюминиевый комплекс России испытывает дефицит в бокситовом сырье, что вынуждает производителей импортировать руду. Намечаемые к 2030 году масштабные структурные изменения в оборонно-промышленном комплексе, авиастроении, судостроении, атомной энергетике, транспорте и строительстве, предусмотренные государственными отраслевыми программами, требуют существенного увеличения производства алюминиевой продукции и, как следствие, развития минерально-сырьевой базы по бокситам. При этом важнейшей задачей развития российской алюминиевой промышленности является замещение импортного бокситового сырья отечественным.

В России ежегодно около 65% высококачественных бокситов добывается подземным способом (3,3 млн т) на месторождениях Североуральского бокситового бассейна (рисунок 1), разрабатываемых ОАО «Севурал-бокситруда» (ОАО «СУБР»), Конкурентоспособные запасы боксита сконцентрированы на рудных месторождениях Красная Шапочка, Кальинское, Ново-Кальинское, Черемуховское и Сосьвинское и подтверждены до глубины 2000 м с перспективой отработки более чем на 100 лет.

Для реализации программных задач «Стратегии развития металлургической промышленности России на период до 2020 года» на ОАО «СУБР» планируется увеличение мощности по добыче бокситов. При этом эффективное развитие российской минерально-сырьевой базы алюминиевой отрасли осложняется необходимостью вовлечения в отработку запасов руды Североуральских бокситовых месторождений на больших глубинах, характеризующихся сложными горно-геологическими, горно-техническими и геодинамическими условиями.

Основной объем запасов (более 85 %) Североуральских бокситовых месторождений отрабатывается камерно-столбовой системой разработки (КССР), отличающейся простотой, высокими технико-экономическими показателями и управлением горным давлением при помощи целиков (рисунок 2). В то же время применение данной системы в удароопасных условиях без использования комплекса специальных противоударных мероприятий зачастую приводит к разрушению очистных выработок, целиков, травмированию горнорабочих, необходимости остановки горных работ, проведения расследований и, как следствие, к снижению эффективности добычи бокситового сырья.

Анализ актов расследований случаев горных ударов на существующих глубинах, превышающих 800 м, показал, что основной причиной нарастания геодинамических процессов, связанных с разрушением опорных

целиков и краевых частей рудной залежи, является неучет действовавшими методиками ряда геомеханических процессов, существенно проявивших себя на больших глубинах. В их числе: формирование зон предельно-напряженного состояния в краевой части рудной залежи и барьерных целиках, разупрочнение междукамерных целиков, разрушение поверхностей сместителей тектонических нарушений, формирование неоднородного техногенного поля напряжений в рудной залежи в результате ее неравномерной изрезанности горными работами, влияние сложной морфологии и литологии рудной залежи, и ряда других факторов.

Ввиду того, что обеспечение безопасного ведения горных работ является обязательным для горнодобывающих предприятий, развитие геомеханического обеспечения КССР удароопасных залежей на больших глубинах в части модернизации существующих, создании и научном обосновании новых методов расчета допустимых параметров конструктивных элементов КССР, программных средств прогнозирования и профилактики горных ударов становится важной актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит повысить безопасность ведения горных работ и обеспечить стабильный объем добычи бокситовой руды в удароопасных условиях.

Связь темы диссертации с научно-техническими программами. Диссертационные исследования выполнены в рамках проекта № 15104 «Геомеханические исследования устойчивости массива горных пород в зонах разрывных тектонических нарушений» Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» Министерства образования и науки Российской Федерации; государственного контракта № 6.30.007 «Разработка конкурентоспособных ресурсосберегающих технологий подземной и открытой отработки месторождений твердых полезных ископаемых в сложных горно-геологических условиях при высоком уровне концентрации горных работ», в соответствии с планами научно-исследовательских работ Межотраслевой координационной программы «Геодинамическая безопасность» Ростехнадзора.

Из основных, выполненных по тематике диссертации научно-исследовательских работ на крупнейших горнодобывающих предприятиях минерально-сырьевого комплекса России (ОАО «Севуралбоксит-руда», ОАО «ГМК «Норильский Никель», ОАО «Апатит» и др.), разрабатывающих удароопасные рудные месторождения сложного геологического строения на больших глубинах, в которых отражаются актуальность, теоретические положения и практические результаты диссертационного исследования, можно выделить следующие: «Оценка

безопасных условий применения камерно-столбовой системы разработки (КССР) при отработке удароопасных бокситовых месторождений Североуральска на современных глубинах и разработка рекомендаций по параметрам КССР для глубины 1000 м и более» (1999-2003 гг.), «Руководство по выбору конструктивных параметров камерно-столбовой системы разработки на шахтах ОАО «Севуралбокситруда», отрабатывающих месторождения с глубиной 1000 м и более» (2004 г.), «Разработать компьютерную модель блочной структуры шахты «Кальинская» ОАО «СУБР» (2004 г.), «Выполнить оценку соответствия применяемых на шахтах 14-14бис и «Кальинская» ОАО «Севуралбокситруда» систем разработок горно-геологическим и горнотехническим условиям их применения» (2005 г.), «Разработать и внедрить программный комплекс «PRESS 3D URAL» для перспективной и текущей оценки напряженно-деформированного состояния и удароопасности участков шахтных полей Североуральских бокситовых месторождений» (2006-2007 гг.), «Разработка дополнения к Проекту «Камерно-столбовая система разработки бокситовых месторождений на глубине 1000 и более метров на шахтах ОАО «Севуралбокситруда» по выбору конструктивных параметров камерно-столбовой системы разработки» (2011 г.), «Разработка методики для оценки эффективности разгрузочных скважин при формировании защищенных зон» (2006 г), «Разработка структуры геомеханического модуля к программному обеспечению Mincom MineScape» (2008 г.), «Проведение анализа и разработка рекомендаций по выделению нагруженных блоков в сейсмоактивных зонах» (2011 г.); «Регламент на отработку подземным способом прибортовых и подкарьерных запасов Коашвинского месторождения ОАО «Апатит»» (2009 г.).

Цель работы. Повышение безопасности ведения горных работ камерно-столбовой системой разработки в удароопасных условиях на больших глубинах.

Основная идея работы заключается в том, что повышение безопасности применения КССР в удароопасных условиях больших глубин разработки достигается за счет развития геомеханического обеспечения КССР, позволяющего получать научно-обоснованные решения по выбору допустимых параметров управления горным давлением и ударо-опасным состоянием рудной залежи и междукамерных целиков.

Основные задачи исследований:

1. Изучить процессы деформирования междукамерных целиков на больших глубинах в шахтных условиях и выполнить оценку их механического состояния при различных размерах выработанных пространств, прочностных и деформационных характеристиках междукамерных целиков.

2. Исследовать факторы, влияющие на формирование нагрузок на междукамерные целики, разработать и апробировать в шахтных условиях инженерный метод определения их допустимой ширины с учетом их механического состояния.

3. Разработать и апробировать в шахтных условиях аналитический метод определения безопасных размеров выработанных пространств на основе теории предельного состояния (опорного давления) с учетом механического состояния междукамерных целиков в выработанном пространстве.

4. Исследовать факторы, влияющие на формирование нагрузок на барьерные целики, разработать и апробировать в шахтных условиях инженерный метод определения их допустимой ширины с учетом влияющих факторов.

5. Разработать на основе численных алгоритмов программный комплекс, позволяющий оперативно прогнозировать параметры напряженно-деформированного и удароопасного состояния на участках рудной залежи с учетом резкого изменения гипсометрии, конфигурации краевой части и физико-механических свойств рудной залежи и целиков, наличия тектонических нарушений и параметров скважинной разгрузки.

Объектом исследования являются удароопасные рудные месторождения Североуральского бокситового бассейна.

Предметом исследования является система геомеханического обеспечения камерно-столбовой системы разработки в удароопасных условиях на больших глубинах.

Методология и методы исследований. Основной теоретической базой диссертационных исследований является теория горных ударов. Для достижения поставленной цели также использовался комплекс методов исследований, включающий: научный системный анализ и обобщение данных экспериментальных и теоретических исследований российских и зарубежных ученых в области геомеханических и геодинамических процессов, происходящих при отработке рудных месторождений с оставлением целиков различного назначения при применении систем разработки с естественным поддержанием кровли очистного пространства, с обрушением вмещающих пород и руд и с закладкой выработанного пространства; методы сопротивления материалов, теории упругости, пластичности, механики сплошной среды, вычислительной математики; лабораторные методы с применением эквивалентных материалов; аналитические исследования напряженно-деформированного, удароопасного состояния и устойчивости целиков с

применением инновационных технологий компьютерного моделирования; анализ данных карточек горных ударов и протоколов комиссионных обследований состояния целиков и горных конструкций в условиях динамических форм проявления горного давления.

Полученные результаты исследований сопоставлялись с данными натурных наблюдений и практики ведения горных работ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Определены направления развития геомеханического обеспечения камерно-столбовой системы разработки удароопасных рудных месторождений на больших глубинах, позволяющие значительно повысить безопасность применения КССР и развивающие теорию механики горных ударов, управления горным давлением и удароопасным состоянием рудной залежи и целиков.

2. Установлены закономерности изменения напряженного состояния и устойчивости междукамерных целиков с учетом влияния различных горно-геологических и горнотехнических факторов, позволяющие заключить, что на глубинах, превышающих 800 м, междукамерные целики не выдерживают нагрузок от давления вышележащих пород, разрушаются и переходят на остаточную прочность для всех разновидностей бокситовых руд. Неучет запредельного режима деформирования приводит к занижению в 1,5 раза грузонесущей площади поперечного сечения междукамерных целиков, сложенных мягкими и средней крепости рудами.

3. Усовершенствована методика определения модуля спада с учетом действия предельных разрушающих касательных напряжений паспорта контактной прочности руды, обеспечивающего резерв по увеличению допустимого пролета выработанного пространства в 1,5-2,0 раза при отработке наиболее удароопасных прочных и средней прочности бокситовых руд, а также позволяющее избежать завышения эффективности профилактических мероприятий в 1,3-1,5 раза для мягких и средней прочности бокситовых руд.

4. Выявлено, что основное влияние на допустимую ширину барьерных целиков оказывает мощность и прочность рудной залежи в месте расположения целиков и определено оптимальное соотношение «ширина-высота» барьерных целиков по обеспечению их несущей способности и исключению в них горных ударов, равное 3,0-3,5.

5. Развит метод граничных интегральных уравнений пространственной задачи теории упругости, позволяющий осуществлять количественную оценку напряженного состояния рудной залежи и целиков с дополнительным учетом влияния зон разрушения на контактной поверхности сместителя крупноамплитудного тектонического нарушения.

6. Усовершенствовано выражение для определения модуля спада, в котором предложено дополнительно учитывать коэффициенты интенсивности напряжений и предельные разрушающие касательные напряжения паспорта контактной прочности руды для прогнозирования уда-роопасности рудной залежи и целиков.

7. Разработаны численные алгоритмы для применения аналитического модуля программного комплекса «PRESS 3D URAL» для прогнозирования напряженного и удароопасного состояния рудной залежи и целиков, а также определения параметров заблаговременной скважин-ной разгрузки удароопасных зон.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Повышение безопасности применения камерно-столбовой системы разработки в удароопасных условиях на больших глубинах требует комплексного подхода, основанного на применении предлагаемой концепции развития геомеханического обеспечения камерно-столбовой системы разработки с учетом изменения характера влияния природных и техногенных факторов на состояние выработок и горных конструкций.

2. Определение несущей способности и допустимой ширины междукамерных целиков при больших глубинах ведения горных работ и развитых выработанных пространствах должно осуществляться с учетом их остаточной прочности. Неучет этого условия приводит к занижению в 1,5 раза грузонесущей площади поперечного сечения междукамерных целиков, представленных разновидностями мягких и средней крепости руд.

3. Определение допустимых пролетов выработанного пространства с учетом действия предельных разрушающих касательных напряжений паспорта контактной прочности руды дает резерв по увеличению допустимого пролета выработанного пространства в 1,5-2,0 раза при отработке наиболее удароопасных прочных и средней прочности бокситовых руд. В то же время неучет действия касательных напряжений при применении скважинной разгрузки приводит к завышению эффективности профилактических мероприятий в 1,3-1,5 раза для мягких и средней прочности бокситовых руд.

4. В условиях отработки удароопасных рудных залежей переменной мощности и прочности с формированием в выработанном пространстве барьерных целиков, оптимальными по несущей способности и исключению в них горных ударов являются барьерные целики с соотношением ширины к высоте 3,0-3,5.

5. Безопасное применение камерно-столбовой системы разработки в удароопасных условиях обеспечивается заблаговременной скважин-

ной обработкой удароопасных зон, выявление которых достигается на основе перспективного прогнозирования напряженного и удароопасно-го состояния с применением автоматизированного программного комплекса «PRESS 3D URAL».

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректностью применяемого математического аппарата; систематическим использованием шахтных данных за проявлением горного давления; решением тестовых примеров; сопоставимостью результатов исследований с данными натурных наблюдений.

Практическая значимость работы:

1. Разработан аналитический метод определения допустимой ширины податливых междукамерных столбчатых и ленточных целиков.

2. Разработан аналитический метод определения допустимых размеров выработанного пространства между несущими опорами (краевыми частями рудной залежи, барьерными целиками).

3. Разработан аналитический метод определения допустимой ширины несущих барьерных целиков.

4. Разработан программный комплекс «PRESS 3D URAL» для прогнозирования напряженного состояния и удароопасности рудной залежи и целиков различного назначения, параметров заблаговременной скважинной разгрузки при применении систем разработки в сложных горно-геологических, горнотехнических и удароопасных условиях.

5. Разработано практическое руководство по выбору параметров конструктивных элементов КССР на больших глубинах в удароопасных условиях разработки Североуральских бокситовых месторождений.

Реализация результатов работы.

Результаты научных исследований доведены до практического внедрения и используются на рудниках и шахтах ОАО «Севуралбок-ситруда», ОАО «ГМК Норильский Никель», ОАО «Апатит» и др. (подтверждается актами и справками о внедрении).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научно-технических советах Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (Санкт-Петербург, 2010-2015 г.), Научного центра геомеханики и проблем горного производства Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (Санкт-Петербург, 2010-2015 г.), ОАО «Севуралбокситруда» (г. Североуральск, 2003-2011 г.), I-VI международных конференциях «Инновационные направления в проектировании горнодобывающих предприятий» (Санкт-Петербург, 2010-2015 г.), международных науч-

но-технических конференциях «Инновации в системах контроля, управления, защит и мониторинга безопасности в горной промышленности» (г. Катовице, Польша, 2012-2013 г.), научно-практической конференции «Геодинамика и современные технологии отработки ударо-опасных месторождений» (г. Норильск, 2012 г.), VI и X международных научно-практических конференциях «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2008-2012 г.), конференции «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2011 г.), международной научно-технической конференции "Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений" (г. Донецк, Украина, 2011 г.), У-УП международных научно-практических конференциях "Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование" (г. Пермь, 2009-2011 г.), международной конференции "Современные проблемы геомеханики, горного производства и недропользования " (Санкт-Петербург, 2009 г.), XXI Всемирном горном конгрессе (г. Краков, Польша, 2008 г.), «Конференциях победителей Х1У-ХУ конкурсов научно-технических разработок среди молодежи предприятий и организаций топливно-энергетического комплекса» (Москва, 2006-2007 г.).

Личный вклад автора состоит:

- в анализе и обобщении существующих методов оценки напряженного и удароопасного состояния краевой части рудной залежи и целиков различного назначения;

- в выявлении основных горно-геологических и горнотехнических факторов, осложняющих ведение горных работ камерно-столбовой системой разработки на современных глубинах;

- в разработке и научном обосновании геомеханического обеспечения (инженерной методики расчета допустимых размеров выработанных пространств, ширины барьерных, междукамерных столбчатых и ленточных целиков) и практических рекомендаций по применению КССР в условиях больших глубин и удароопасности Североуральских бокситовых месторождений;

- в совершенствовании численного метода расчета напряжений в конструктивных элементах камерно-столбовой системы разработки с совокупным учетом широкого диапазона горно-геологических и горнотехнических факторов: произвольных в размере и по конфигурации выработанного пространства и конструктивных элементов, произвольного месторасположения конструктивных элементов относительно границ выработанного пространства, различных физико-механических свойств вмещающих пород и руды, мощности рудной залежи, параметров тектонических нарушений и толщины разгрузочной щели;

- в разработке методического обеспечения и программного комплекса «PRESS 3D URAL» для прогнозирования напряженного состояния, выявления удароопасных зон и определения параметров заблаговременной разгрузки рудной залежи скважинами большого диаметра.

Публикации. Основные результаты исследований представлены в 40 опубликованных работах, из них 16 - в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России. Получено 1 свидетельство РФ о государственной регистрации программы ЭВМ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 505 наименования и 12 приложений, изложена в 2-х томах на 562 страницах машинописного текста, содержит 338 рисунков и 62 таблицы.

Автор выражает искреннюю признательность научному консультанту А.Н. Шабарову, сотрудникам Научного центра геомеханики и проблем горного производства и кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный», ОАО «ВНИМИ», специалистам горнодобывающих предприятий ОАО «Севуралбокситруда», ОАО «ГМК «Норильский Никель», ОАО «Апатит», ОАО «Воркутауголь» и др. за помощь в проведении исследований, полезные советы и конструктивные замечания, высказанные при обсуждении результатов работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены вопросы, касающиеся актуальности рассматриваемой проблемы, связи исследований с научно-техническими программами, сформулированы цель, идея, основные задачи исследований, методология и методы исследований, научная новизна работы, основные положения, выносимые на защиту. Рассмотрены вопросы достоверности и обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций, практической значимости работы, реализации и апробации результатов работы, личного вклада. Приведена информация о публикациях, объеме и структуре работы.

В первой главе проанализировано современное состояние вопроса, касающегося горно-геологических и горнотехнических причин разрушения конструктивных элементов КССР (целиков, краевой части рудной залежи, кровли очистных камер) при разработке удароопасных рудных месторождений на больших глубинах. Выполнена оценка эффективности и

достаточности применяемых методов определения параметров КССР, а также методов прогноза и предотвращения горных и горно-текгонических ударов на шахах СУБРа. Рассмотрены концептуальные положения по развитию геомеханического обеспечения камерно-столбовой системы разработки удароопасных рудных залежей, позволяющие повысить безопасность применения системы на больших глубинах.

Во второй главе представлены результаты численной оценки устойчивости междукамерных целиков в выработанном пространстве рудной залежи с учетом широкого диапазона горно-геологических и горно-технических факторов. Изложены теоретические положения по расчету допустимых параметров КССР на больших глубинах, включающие: определение ширины междукамерных целиков с учетом их остаточной прочности, размеров выработанных пространств, параметров профилактических мероприятий для обеспечения безопасной отработки участков рудной залежи, превышающих допустимые размеры выработанных пространств, пролетов кровли очистных камер при наличии в выработанном пространстве барьерных целиков.

В третьей главе рассмотрены существующие принципы геодинамического моделирования участков шахтных полей и предложена методология комплексной оценки геомеханического состояния блочного массива горных пород. Изложены теоретические положения автоматизированной системы определения параметров прогнозно-профилактических мероприятий по предотвращению горных и горно-тектонических ударов, касающиеся численной оценки напряженно-деформированного состояния и ударо-опасности рудной залежи с совокупным учетом запредельного деформирования междукамерных целиков в выработанном пространстве, параметров скважинной разгрузки и тектонических нарушений.

В четвертой главе приведены рекомендации по структуре, функциональным возможностям и автоматизации программного обеспечения автоматизированной системы определения параметров прогнозно-профилактических мероприятий по предотвращению горных и горно-тектонических ударов. Представлены результаты прогнозирования напряженно-деформированного состояния и разрушения массива горных пород в зонах влияния тектонических нарушений. Приведены рекомендации по определению параметров прогнозно-профилактических мероприятий по предотвращению горных и горно-тектонических ударов при применении КССР.

В пятой главе представлены результаты опытно-промышленной проверки разработанного геомеханического обеспечения, включающей: сопоставление расчетных и экспериментальных параметров КССР на шах-

тах СУБРа; натурные исследования, физическое моделирование и численные расчеты напряженно-деформированного состояния рудной залежи и целиков; натурные исследования и численно-аналитические расчеты параметров прогнозно-профилактических мероприятий по предотвращению горных ударов; натурные исследования и численно-аналитические расчеты напряженно-деформированного и удароопасного состояния массива горных пород в зонах влияния тектонических нарушений.

В шестой главе приведены практические рекомендации по применению геомеханического обеспечения, включающие: руководство по выбору параметров камерно-столбовой системы разработки

удароопасных рудных залежей; технологию компьютерного моделирования напряженно-деформированного и удароопасного состояния рудной залежи и целиков; использование автоматизированной системы прогнозирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород при решении геомеханических задач, возникающих на других горнодобывающих предприятиях.

В заключении приведены основные выводы диссертационного исследования.

В приложениях приведены: статистические данные карточек горных ударов, расследованных на шахтах ОАО «Севуралбокситруда»; допустимые размеры рудных междукамерных целиков; допустимые размеры выработанных пространств; результаты оценки объемов и стоимости бурения разгрузочных скважин в зависимости от глубины ведения горных работ; допустимые размеры рудных барьерных целиков; значения компонент тензора напряжений в массиве горных пород, полученные с учетом использования методов ГИУ и МКЭ; Функциональное назначение кнопок панелей инструментов, вспомогательных окон и электронных таблиц программного обеспечения «PRESS 3D URAL»; схемы и результаты прогнозирования устойчивости междуэтажных целиков при применении камерной системы разработки с последующим обрушением покрывающих пород; расчетные схемы к оценке допустимых расстояний между сопряжениями погрузочных заездов; документы, удостоверяющие внедрение геомеханического обеспечения на горнодобывающих предприятиях.

В автореферате приняты следующие условные обозначения: БКМ - боксит красный маркий (мягкие руды с прочностью на сжатие 20 МПа); БКНМ - боксит красный немаркий (средние по прочности руды с прочностью на сжатие 40 МПа); БП - боксит пестроцветный (прочные руды с прочностью на сжатие 80 МПа).

Основные результаты научных исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

Концептуальные и методологические подходы к поиску стратегических путей решения подобных проблем горного производства в разные годы разрабатывались ведущими академическими и отраслевыми научно-исследовательскими институтами под руководством известных ученых: акад. К.Н. Трубецкого, H.H. Мельникова, Д.Р. Каплунова, В.Н. Опарина, А.Г. Протосени, A.A. Еременко, Б.А. Картозии, И.М. Пе-тухова, Ю.П. Галченко, М.А. Иофиса и др., свидетельствующих о необходимости проведения комплексных научно-исследовательских работ по развитию способов повышения промышленной безопасности и экономической эффективности разработки месторождений полезных ископаемых в связи с ухудшением горно-геологических, горно-технических, геомеханических и геодинамических условий на больших глубинах.

Региональным проблемам и перспективам развития горнодобывающего комплекса посвящены многочисленные работы под руководством известных ученых Северо-Западного региона: H.H. Мельникова, A.A. Козырева, C.B. Лукичева и др., Уральского региона: Д.Р. Каплунова, В.В. Радько, АД. Сашурина, Сибирского региона: М.В. Кур-лени, В.Н. Опарина, A.A. Еременко, Б.В. Шреппа, П.В. Егорова, A.M. Фрейдина, В.А. Еременко и др., Дальневосточного региона: И.Ю. Рассказова и др., отражающие результаты многолетних научных исследований, выполненных на рудниках, разрабатывающих ударо-опасные месторождения в различных горно-геологических, горнотехнических и геомеханических условиях. Исследователи обращают внимание на необходимость развития методов прогноза и контроля напряженно-деформированного состояния и удароопасности массива горных пород, а также расчетных методов для определения безопасных параметров конструктивных элементов систем разработки месторождений хрупких удароопасных руд в условиях высоких концентраций природного и техногенного полей напряжений, обусловленных ростом глубины горных работ, размеров выработанных пространств и тектонической нарушенное™ месторождений.

Рассмотрение практического опыта применения камерно-столбовой системы разработки показало, что в условиях больших глубин и динамического проявления горного давления способы управления горным давлением, эффективные на верхних горизонтах, не удовлетворяют безопасности производства работ на современных глубинах, что обусловлено изменением характера геодинамических процессов при отработке рудной залежи. По мере увеличения глубины отработки наблюдался рост интенсивности геодинамических процессов и количества случаев разрушения целиков и кровли очистных камер. При достижении горными работами глубины 650-700 м (рисунок 3), разрушения горных конструкций стали носить массовый и непредсказуемый характер, что потребовало разработки и реализации многолетней программы НИР по оценке соответствия применяемых параметров конструктивных элементов КССР горно-геологическим, горнотехническим и геодинамическим условиям Североуральских бокситовых месторождений и разработки рекомендаций по безопасному применению КССР в удароопасных условиях на больших глубинах.

Для проведения научных исследований была разработана концепция развития геомеханического обеспечения КССР (рисунок 4), заключающаяся в поэтапном изучении причин разрушения выработок и горных конструкций (выявлении объектов угроз) и определении объектов геомеханического обеспечения (этап I), проведении аудита применяемого на руднике геомеханического обеспечения по определению параметров КССР и прогнозу удароопасности (этап II), совершенствовании и разработке нового геомеханического обеспечения с учетом влияния природных и техногенных угроз (этап III), проведении экспериментальной проверки новых параметров КССР (этап IV) в удароопасных условиях шахт СУБРа и внедрении нового геомеханического обеспечения в горное производство (этап V).

Выполненный на I этапе анализ случаев динамических проявлений горного давления (карточек горных ударов), произошедших при применении КССР на глубинах 800 м и более, показал, что на разрушение выработок, целиков и обрушение кровли очистных камер оказывают влияние как природные, так и техногенные факторы.

Анализ причин разрушения выработок и элементов горных конструкций от влияния природных факторов (таблица 1) позволяет обобщить исследованные горно-геологические факторы формирования удароопасности в следующие основные группы угроз, которые необходимо учитывать при определении параметров КССР: совокупное влияние неоднородного литологического строения (УНР) и изменения мощности

(УМЗ) рудной залежи на тектонически спокойных участках шахтного поля; совокупное влияние неоднородного литологического строения, изменения мощности (УМЗ) рудной залежи и параметров мелко- и крупноамплитудных тектонических нарушений (MATH и КАТН) на участках влияния тектонических нарушений.

Из техногенных факторов, представляющих угрозу для безопасного применения КССР, главным образом (таблица 1), представляют: динамическое влияние буровых и взрывных работ; естественная разгрузка массива горных пород. При этом на современных глубинах ведения горных работ стало очевидным преобладание такого горнотехнического фактора, как размеры выработанного пространства и соотношение площадей опор и обнажений кровли в пределах отдельной выемочной единицы (блока).

В результате детального анализа природных и техногенных угроз были выявлены объекты геомеханического обеспечения КССР, влияющие на безопасные условия ее применения в рассматриваемых условиях и требующие геомеханического обоснования:

- междукамерные целики в части определения их допустимой ширины с учетом их разупрочнения и динамической пригрузки, а также с учетом возможной дифференциации следующих дополнительных условий: глубины работ, прочностных и упругих свойств руды и вмещающих пород, мощности и угла падения рудной залежи, тектонической составляющей;

- выработанные пространства в части определения допустимых пролетов с учетом удароопасности рудной залежи и разупрочнения междукамерных целиков в выработанном пространстве;

- барьерные целики в части определения допустимой ширины с учетом их удароопасности и разупрочнения междукамерных целиков в выработанном пространстве;

-очистные камеры в части определения допустимых пролетов между краями междукамерных целиков с учетом совместного деформирования кровли и разупрочненных междукамерных целиков, а также перехода на технологические схемы КССР с оставлением временных барьерных целиков.

Выполненный на II этапе аудит ранее применяемого на СУБРе геомеханического обеспечения КССР (таблица 2), включая «Руководство по выбору конструктивных параметров КССР на шахтах ОАО «СУБР». ОАО «Унипромедь», 1997 г.» показал следующее: ширина междукамерных целиков определяется без учета процесса их разупрочнения; полностью отсутствуют методические положения по определе-

Рисунок 1 - Схема расположения шахт СУБРа, разрабатывающих крупные месторождения Севроуральского бокситового бассейна

Рисунок 2 - Типичная горно-техническая и удароопасная ситуации на шахтах СУБРа при применении камерно-столбовой системы разработки

щ 45

ю 41)

& TS

S 30

¡6. 25

р 20

I 15

£ 5

i i i i i i i—i—г

Развитие КССР с учетом авторских рекомендаций

1—Г

—Г"

-г Е

ГПР, ГКР

-I—I-

340- 400- 450- £00- 550- 600- 650- 700- 750- 800- 850- 900- 950- 1000-1050-1100-1150-1200-1250- 1ЭОО-1350-399 449 499 549 599 649 699 749 РШ 849 899 949 99© 1СМ9 1099 1149 1190 1249 1299 1349 1399

Глубина горньк робот, м

Рисунок 3 - Частота проявления горных ударов на шахтах СУБРа на различной глубине работ

Рисунок 4 - Концепция развили геомеханического обеспечения КССР в удароопасных условиях на больших глубинах

Таблица 1 ■

Оценка эффективности внедрения рекомендаций по снижению горных ударов

Количество горных ударов, | Эффек расследованных при применении КССР, шт. _

Наименование фактора

До комплексной модернизации геомеханического обеспечения на этапе...

После внедрения авторских рекомендаций на этапе...

тивнос

ть рекоме

ндаций %

Горно-геологические условия

Простые горно-геологические условия (Простые ГГУ)

Простые ГГУ: УОР + НМЗ

Сложные горно-геологические условия (Сложные ГТУ)

Сложные ГГУ: УНР + НМЗ

Сложные ГГУ: УОР + УМЗ

Сложные ГТУ: УНР + УМЗ

Сложные ГТУ с дополнительным влиянием MATH

Сложные ГТУ: УОР + НМЗ + MATH 15

23 О

Сложные ГГУ: УНР + НМЗ + MATH

Сложные ГТУ: УОР + УМЗ + MATH

Сложные ГТУ: УНР + УМЗ + MATH

Сложные ГГУ с дополнительным влиянием КАТН

Сложные ГГУ: УОР + НМЗ + КАТН

Сложные ГТУ: УНР + НМЗ + КАТН

Сложные ГТУ: УОР + УМЗ + КАТН

Сложные ГТУ: УНР + УМЗ + КАТН

Горно-технологические условия

Бурение шпуров

Заряжание шпуров

Взрывные работы

Уборка руды

Крепление выработок

Скважинная разгрузка

Выходные дни

Горные выработки и элементы горных конструкций

Панельные штреки

Сбойки выработок

Панельные целики

Междукамерные целики

Краевая часть залежи

Участки у безрудных зон

Участки у тектонических нарушений

Таблица 2 - Нормативно-методические документы, регламентирующие ведение горных работ

Этап Основные нормативно-методические документы и рекомендации, регламентирующие применение КССР на шахтах СУБРа

А Технический проект «Камерно-столбовая система разработки для шахт СУБРа». (ОАО «Унипромедь», Свердловск, 1977 г.). Указания по безопасному ведению горных работ при строительстве и эксплуатации шахт на месторождениях Североуральского бокситового бассейна, подверженных горным ударам (Л., ВНИМИ, 1988 г.).

Б Инструкция по креплению подготовительных горных выработок в руде на шахтах Североуральского бокситового бассейна. (СПГТИ, Санкт-Петербург, 1993 г.). Руководство по выбору конструктивных параметров камерно-столбовой системы разработки на шахтах. (ПО СУБР, АО «Унипромедь», Екатеринбург- Североуральск, 1994 г.). Методические рекомендации и наказы по повышению безопасности ведения горных работ в удароопасных условиях у тектонических нарушений на шахтах СУБРа (ПО СУБР, Североуральск, 1994 г.). Указания по безопасному ведению горных работ на Североуральских бокситовых месторождениях, опасных по горным ударам (ОАО «ВНИМИ», ОАО «Севуралбокситруда», Санкт-Петербург-Североуральск, 2001 г.).

В Межотраслевая координационная программа «Геодинамическая безопасность» (Ростехнадзор, Москва, 1996-2000 гг.). Руководство по выбору конструктивных параметров камерно-столбовой системы разработки на шахтах ОАО «Севуралбокситруда» (ОАО "Унипромедь", ОАО "Севуралбокситруда", СПИ "СУБР-Проект", Екатеринбург-Североуральск, 1997).

Г Комплексная НИР «Оценка безопасных условий применения камерно-столбовой системы разработки (КССР) при отработке удароопасных бокситовых месторождений Североуральска на современных глубинах и разработка рекомендаций по параметрам КССР для глубины 1000 м и более» (ОАО «ВНИМИ», Санкт-Петербург, 1999-2003 гг.). Дополнение к «Руководству по выбору конструктивных параметров камерно-столбовой системы разработки на шахтах ОАО «Севуралбокситруда», отрабатывающих месторождения с глубиной 1000 м и более» для глубин менее 1000 м» (ОАО «ВНИМИ», Санкт-Петербург, 2005 г.).

Д Руководство по выбору конструктивных параметров камерно-столбовой системы разразработки на шахтах ОАО «Севуралбокситруда», отрабатывающих месторождения с глубиной 1000 м и более» (ОАО «ВНИМИ», Санкт-Петербург, 2004 г.). Проект «Камерно-столбовая система разработки бокситовых месторождений на глубине 1000 и более метров на шахтах ОАО «Севуралбокситруда» (ОАО «Севуралбокситруда», Североуральск, 2005 г.). НИР «Разработать и внедрить программный комплекс «PRESS 3D URAL» для перспективной и текущей оценки напряженно-деформированного состояния и удароопасности участков шахтных полей Североуральских бокситовых месторождений» (ОАО «ВНИМИ», Санкт-Петербург, 2006 г.). Указания по безопасному ведению горных работ на Североуральских бокситовых месторождениях, опасных по горным ударам» (СПГГИ, ОАО «Севуралбокситруда», Санкт-Петербург-Североуральск, 2010 г.).

Е НИР «Разработка дополнения к Проекту «Камерно-столбовая система разработки бокситовых месторождений на глубине 1000 и более метров на шахтах ОАО «Севуралбокситруда» по выбору конструктивных параметров камерно-столбовой системы разработки» (Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, 2011 г.).

нию допустимых размеров выработанных пространств; ширина барьерных целиков определяется без учета фактора удароопасности.

Анализ применяемого на СУБРе комплекса прогнозно-профилактических мероприятий, регламентированных требованиями «Инструкции по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, объектах строительства подземных сооружений, склонных и опасных по горным ударам (РД 06-329-99)» и «Указаний по безопасному ведению горных работ на Североуральских бокситовых месторождениях, опасных по горным ударам» показал отсутствие геомеханического обеспечения для перспективного (заблаговременного) прогнозирования удароопасности рудной залежи и целиков и определения параметров профилактических мероприятий.

Таким образом, исследования выполненные на I и II этапах, позволили выявить целый ряд актуальных проблем, требующих решения для развития геомеханического обеспечения (этап III) безопасной отработки рудной залежи КССР на больших глубинах с учетом влияния широкого диапазона природных и техногенных факторов на проявление удароопасности и обрушение пород кровли, в том числе:

1. Необходима разработка инженерных методов определения параметров междукамерных целиков с учетом изменения их механического состояния в результате разрушения, в том числе с учетом их динамической пригрузки при подвижках пород кровли.

2. Необходима разработка инженерных методов определения допустимых размеров выработанных пространств и пролетов кровли очистных камер.

3. Необходимо уточнение известных инженерных решений по определению параметров барьерных целиков, определяемых с учетом удароопасности и применения теории предельного равновесия.

4. Требуется разработка современного автоматизированного программного комплекса для прогнозирования геодинамического состояния рудной залежи и заблаговременного планирования противоударных мероприятий.

Данные экспериментальной проверки новых параметров КССР (этап IV) в удароопасных условиях шахт СУБРа приводятся в научных положениях, содержащих решение выявленных проблем.

Разработанное в диссертационной работе геомеханическое обеспечение КССР доведено до промышленного внедрения (этап V) на всех шахтах СУБРа (для глубин 1000-1200 м: распоряжение Ростехнадзора по Свердловской области за № 4-21/10413 от 29.12.2005 г., положительное Заключение экспертизы промышленной безопасности ООО

«Диапромэкс» № 54-ПД-10387-2005; для глубин 1200-1400 м: распоряжение Ростехнадзора по Свердловской области за № 04-30/1828 от 27.02.2012 г., положительное Заключение экспертизы промышленной безопасности ООО «Диапромэкс» № 54-ПД-00783-2012).

Результаты выполненной численной оценки напряженно-деформированного состояния столбчатых МКЦ для глубин разработки, превышающих 800 м и развитых выработанных пространствах, доказывают, что действующие в целиках вертикальные напряжения превосходят по величине предел их прочности (рисунок 5), вызывая таким образом разупрочнение и разрушение целиков. Для таких условий возможно применять теорию свода давления, позволяющую значительно снизить потери руды в целиках.

Анализ расчетной методики приведенной в ранее действующем на СУБРе «Руководстве ...по выбору параметров КССР» (Унипромедь), показал, что в ней имеются физические противоречия, заключающиеся в том, что использование теории свода естественного равновесия в условиях СУБРа, разрабатыва-ющего хрупкие прочные разновидности бокситовых руд, не склонных к существенным пластическим деформациям, является правомочным либо в случае разрушения междукамерных целиков, или в

результате придания им искусственной податливости. В то же время в расчетной методике данные деформационные процессы не были учтены, поскольку междукамерные целики рассматривались как упругие несущие тела, характеризующиеся истинным пределом прочности руды с дополнительным введением коэффициента запаса прочности.

Глубина расположения целика Н. м

-БГМ=Зм) --БКНМ (¡¡=3м> - - - БКМ «1=3м>

—•—БП (С)=6м) -•- БКНМ(<1=6М) ■ БКМ (<1=6м)

Рисунок 5 - График изменения напряжений в МКЦ с ростом глубины горных работ

Несмотря на определенные противоречия, применение расчетной методики при небольших глубинах горных работ позволяло получать удовлетворительные результаты благодаря значительной прочности рудных целиков. Однако искусственное ограничение реального веса покрывающих пород на междукамерные целики при достижении их несущей способности стало приводить к их аварийному хрупкому разрушению.

Анализ методов определения параметров целиков, изложенных в работах акад. Л.Д. Шевякова, В.Д. Слесарева, Г.Е. Гулевича, С.Г. Авершина, Ю.М. Либермана, H.A. Давыдовой, В.Р. Рахимова, К.В. Руппенейта, В.Д. Палия, C.B. Ветрова, Ю.А. Модестова, В.В. Соколовского, В.Ф. Трумбачева, Е.А. Мельникова, Ф.П. Бублика, Г.Л. Фисенко, Ж.С. Ержанова, А.К. Черникова, В.И. Борщ-Компониеца, А.Б. Макарова и др. показал, что при расчете параметров целиков используется истинный предел прочности горной породы, в том числе с применением теории свода давления. Рассмотрение зарубежного опыта определения параметров целиков, изложенного в обобщающих работах Tourner, Та-vakoli, Maybee, Hoek, Brown, Pritchard, Hedley и др., показал, что грузо-несущая поверхность целиков определяется от действия полного веса поддерживаемого столба покрывающих пород с последующим учетом коэффициента запаса прочности.

Выявленные противоречия в применяемом на СУБРе методическом обеспечении, а также отсутствие методик расчета целиков удовлетворяющим условиям СУБРа, потребовали выполнения научных исследований по поиску путей решения данного вопроса.

Анализ результатов испытаний прочных и хрупких разновидностей руд, представленных в работах Ю.М. Карташова, МД. Ильинова, А.Б.Макарова, Б.В.Матвеева, Г.В.Михеева, А.Г.Протосени, А.Н.Ставрогина, Б.Г. Тарасова, В.Л. Трушко, Г.Л. Фисенко и др., позволяет заключить, что после разрушения рудные образцы практически сразу переходят в режим остаточной прочности, как правило, составляющей около 20-30% от величины исходной прочности образца и зависящей в основном от его формы. Учет остаточной прочности МКЦ осуществляется на основе относительного коэффициента представляющего собой отношение остаточной прочности междукамерного целика к пределу прочности на одноосное сжатие. На основании анализа данных лабораторных испытаний образцов руд с различными коэффициентами формы, относительный коэффициент % принят равным 0,24.

Для определения допустимой ширины МКЦ с квадратным или близким к нему поперечным сечением, а также ленточных МКЦ с учетом их остаточной прочности, в диссертации выполнено геомеханическое обоснование и получены необходимые инженерные формулы. При этом было усовершенствовано выражение для определения высоты свода естественного равновесия при наличии в выработанном пространстве системы податливых МКЦ с учетом разупрочнения и взаимодействия МКЦ с вмещающими породами.

Для оценки степени влияния остаточной прочности на допустимую величину грузоне-сущей площади поперечного сечения МКЦ получены графические зависимости (рисунок 6,а) отношения площади целика, рассчитанного с учетом остаточной прочности, к площади упругого целика при различных размерах выработанного пространства и прочностных характеристиках руд. На рисунке 6,6 приведены графические зависимости с учетом технологических требований, регламентирующих оставление МКЦ шириной не менее 3,0 м.

Анализ полученных результатов показывает, что невлияния остаточной прочности на допустимую учет запредельного режима величину грузонесущей площади деформирования МКЦ на ос-

поперечного сечения МКЦ таточной прочности приводит

к существенному, более чем в 1,5-3 раза, занижению грузонесущей площади поперечного сечения междукамерных целиков. Вместе с тем на участках прочных разновидностей руд ситуацию улучшают технологические ограничения по минимальному размеру МКЦ.

Достоверность методических рекомендаций по определению допустимых размеров столбчатых и ленточных междукамерных целиков подтверждается положительными результатами опытно-промышленных испытаний, проведенных при отработке сложных и удароопасных участков шахтных полей: блока Юс гор. -680 м (глубина 880 м), блока

5.00

б 2.00

1.50

1.00

100

60 а. м

100

Рисунок 6 - Результаты оценки степени

13ю гор. -680 м (глубина 880 м), блоков 9-10ю гор. -680 м (глубина 880 м) шх. «Кальинская», блоков 2-5с гор. -620 м (глубина 820 м), блоков 2-5с гор. -570 м (глубина 770 м) шх. № 14-14бис (участок «Южная Ка-лья»), блоков 22-23с гор. -740 м (глубина 940 м), блоков 1-2с, 2с-6ис гор. -680 м (глубина 880 м), блоков 17-18с гор. -680 м шх. № 14-14бис ОАО «Севуралбокситруда». Проведенные обследования в очистных блоках с высоким уровнем сейсмической активности с применением предлагаемых параметров КССР не выявили ни одного случая разрушения кровли и целиков.

Вопросам изучения закономерностей проявления горного давления в динамической форме и решения подобных проблем при развитии очистных работ на удароопасных рудных месторождениях посвящены научные работы ведущих отечественных и зарубежных ученых: С.Г. Авер-шина, В.И. Борщ-Компаниеца, П.В. Егорова, Б.А. Картозии, A.A. Козырева, М.В. Курлени, А.Б. Макарова, И.М. Петухова, И.Ю. Рассказова, Е.И. Шемякина, Brady, Kaiser, Lunder, McCreath, Munro, Ortlepp, Pakalnis, Salamon, Tannant и др., внесших значительный вклад в развитие теории горных ударов. При этом существенное значение представляют результаты исследований процессов до- и запредельного разрушения горных пород, полученные под руководством A.B. Асанова, Ю.М. Карташова, Е.В. Лодуса, А.Г. Протосени, А.Н. Ставрогина, Б.Г. Тарасова и др., а также работы, посвященные созданию численных и аналитических методов оценки напряженного состояния и удароопасности рудной залежи (угольных пластов) при развитии горных работ: A.A. Баряха, А.П. Госпо-дарикова, A.B. Зубкова, В.В. Зубкова, A.M. Линькова, М.Г. Мустафина, B.C. Сидорова, М. Тлеужанова, А.К. Черникова и др.

Определение допустимых пролетов выработанного пространства с позиции удароопасности заключается в оценке потери устойчивости краевой части рудной залежи. Для решения данной проблемы для специфических условий разработки месторождений СУБРа принят и усовершенство-

ван традиционный подход, предложенный В.В. Новожиловым и Г.П. Черепановым и развитый в исследованиях ученых ВНИМИ И.М. Петухова и А.М. Линькова по критерию безопасности по фактору горного давления с использованием коэффициентов интенсивности напряжений.

Применительно к условиям разработки Североуральских бокситовых месторождений принята расчетная модель напряженно-деформированного состояния массива горных пород при следующих геомеханических предпосылках: вмещающие породы принимаются сплошной однородной, изотропной, линейно-упругой средой, в пределах выемочного блока рудная залежь представлена рудами с различными прочностными и деформационными характеристиками и имеет невыдержанную мощность, в краевой части рудной залежи, барьерных целиках имеется развитая зона предельного состояния, учитываются реальные размеры выработанного пространства, толщина разгрузочной щели, разрушенные междукамерные целики в модели не учитываются.

Принимая во внимание рекомендации ученых ВНИМИ, выражение для определения допустимого пролета выработанного пространства было преобразовано к следующему виду:

адоп — _ К

f 1 А \

0,01уН

т, (1)

где Стсж - предел прочности руды на одноосное сжатие, МПа; Е, = /(М/Е„ ) - известная табулированная функция*; М - модуль спада руды на запредельной диаграмме деформирования, МПа; Еп - модуль упругости вмещающих пород, МПа; у - плотность покрывающих пород, т/м3; Н - глубина горных работ, м; т - мощность рудной залежи, м.

Анализ структуры выражения (1) показывает, что для его решения необходимо получение характеристик запредельного деформирования руды (модуля спада) в лабораторных или шахтных условиях, что связано со значительными, а зачастую, непреодолимыми трудностями, связанными с необходимостью комплексного учета влияния широкого диапазона факторов, участвующих в нагружении краевой части рудной залежи. Для решения данной проблемы было разработано следующее

* Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов: Справочное пособие / И.М. Петухов, A.M. Линьков, B.C. Сидоров. - М.: Недра, 1992. - 236 с.

аналитическое выражение для определения модуля спада, характеризующего удароопасное состояние рудной залежи:

М =

МсТеж 0,5ст™ + т„

(2)

где ттах - значение предельного разрушающего касательного напряжения, снимаемого с паспорта контактной прочности руды при макси-

мальном вертикальном напряжении, равном ст^, МПа; Е/; - модуль

упругости руды, МПа.

Уравнение паспорта контактной прочности руды принималось в виде отрезка наклонной прямой ттах = 0,5стсж + tg(p)cmax , где р - угол внутреннего трения руды, град. Выражение для определения напряжений в максимуме опорного давления рудной залежи было усовершенствовано с совокупным учетом паспорта контактной прочности руды, естественной и техногенной податливости рудной залежи.

Оценка достоверности определения допустимого размера выработанного пространства с учетом разработанного выражения для определения модуля спада (рисунок 7) показала удовлетворительную сходимость усовершенствованного выражения с фактическими данными экспериментальных наблюдений за проявлением удароопасности в очистных блоках на шахтах «14-14бис», «Кальинская» и «Черемуховская» СУБРа (погрешность расчетов не превысила 15-20 %).

Значительное отличие результатов, полученных с применением аналитических выражений, объясняется неучетом паспорта контактной прочности руды ранее разработанным выражением для определения модуля спада, поскольку при его разработке принимались рекомендации многолет-

„ _ , них исследований ВНИМИ, на

Рисунок 7 - I рафик зависимости допустимого размера выработанного основании которых средние ка-пространства между жесткими опорами сательные напряжения на кон-от глубины горных работ такте рудной залежи и вме-

(сопоставление)

120

-Экспериментальная по шахтным данным ■ Теоретическая усовершенствованная Теоретическая ранее полученная_

щающих пород принимались равными кубиковой прочности руды хср = 1,4асж (по аналогии с угольными месторождениями). В результате

выражение для определения модуля спада упрощалось и принималось в виде М = 0,5 Ер, что, как установила промышленная проверка, привело к

существенному занижению (в 2,0-2,5 раза) размера безопасного пролета выработанного пространства и, как следствие, необходимости развития этого направления.

Положительные результаты испытаний усовершенствованной методики позволили провести оценку степени влияния предельных разрушающих касательных напряжений паспорта контактной прочности руды на допустимые пролеты выработанного пространства для условий разработки различных по прочности разновидностей бокситовых руд СУБРа, в том числе с учетом скважинной разгрузки.

Анализ полученных результатов показал (рисунок 8), что неучет действия максимальных касательных напряжений на контакте между рудной залежью и вмещающими породами в зависимости от прочностных характеристик руд приводит к ограничению допустимого по безопасности размера выработанного пространства в 1,5-2,0 раза для прочных и средней прочности разновидностей руд (рисунок 8,а), что требует применения дополнительных мер по разделению выработанного пространства в пределах очистного блока, например, за счет оставления барьерных целиков, тем самым приводя к значительному росту потерь руды в очистном блоке. Для мягких разновидностей руд неучет касательных напряжений не оказывает существенного влияния на допустимые размеры выработанного пространства, что связано со значительной естественной податливостью рудной залежи.

400

300

800 1000 1200 1400

—■— БКМ (без уч. паспорта) —БКНМ (без уч. паспорта) - -» - БП (без уч. паспорта) -БКМ (с уч паспорта)--БКНМ (с уч паспорта) - • - - БП (с уч паспорта)

Рисунок 8 - График зависимости допустимого

размера выработанного пространства от глубины горных работ с учетом и неучетом максимальных касательных напряжений

В то же время при применении скважинной разгрузки краевой части рудной залежи с целью увеличения безопасного размера выработанного пространства неучет действия касательных напряжений приводит к ограничению допустимого по безопасности размера выработанного пространства в 1,1-1,3 раза для прочных разновидностей руд (рисунок 8,6) и оказывает обратный эффект для руд средней прочности и мягких, тем самым ошибочно завышая эффективность проведения разгрузочных мероприятий.

4. В условиях отработки удароопасиых рудных залежей переменной мощности и прочности с формированием в выработанном пространстве барьерных целиков, оптимальными по несущей способности и исключению в них горных ударов являются барьерные целики с соотношение ширины к высоте 3,0-3,5.

На больших площадях отработки при отсутствии безрудных зон или участков непромышленного оруденения в качестве дополнительных опор, ориентированных на поддержание выработанного пространства и снижения удароопасности в краевой части, оставляют временные барьерные целики.

Для условий разработки удароопасных месторождений расчет барьерных целиков рекомендуется выполнять по теории предельного равновесия, разработанной акад. В.В. Соколовским, усовершенствованной К.В. Руппенейтом и Г.Л. Фисенко и реализованной учеными ВНИМИ И.М. Петуховым и A.M. Линьковым, применительно к проблематике горных ударов. Положения теории предельного равновесия также были рассмотрены В.Г. Селивоником при обосновании инженерного метода расчета рудных барьерных целиков при различных вариантах двухъярусной КССР применительно к условиям разработки месторождений СУБРа.

Анализ наиболее известных инженерных методик ОАО «Унипро-медь» (ранее применяемой на СУБРе), ОАО «ВНИМИ», Минцветмет СССР и В.Р. Рахимова показал, что структура их выражений не учитывает совокупного влияния фактора удароопасности и паспорта контактной прочности руды. Для решения данной проблемы была разработана инженерная методика расчета допустимой ширины барьерного целика с совокупным учетом удароопасности и паспорта контактной прочности руды.

Для определения допустимой ширины барьерного целика было разработано аналитическое выражение, учитывающее: угол падения рудной залежи; тектоническую составляющую, принимаемую равной отношению горизонтальных напряжений к вертикальным напряжениям нетронутого массива; размер выработанного пространства по восста-

нию; размер выработанного пространства по падению; размер выработанного пространства по простиранию рудной залежи; удельный вес покрывающих пород; глубину горных работ.

Для исключения проявления удароопасности коэффициент запаса барьерного целика принимался в соответствии с рекомендациями справочного пособия* института ВНИМИ, в котором отмечается, что наибольшую опасность с точки зрения удароопасности представляют барьерные целики с предельными размерами, находящимися в интервале [0,5Ьпр; 1,25Ьпр]. Анализ данного интервала показывает, что практический интерес будет представлять верхняя граница удароопасности Ьц> 1,25Ьпр. Принимая отношение Ьц/ Ьп = 1,25, полученное значение допустимого с точки зрения безопасности и несущей способности коэффициента запаса барьерного целика, составит к3 = 1,5.

Оценка разработанной методики по сравнению с известными решениями ОАО «Унипромедь», ОАО «ВНИМИ», Минцветмет СССР и В.Р. Рахимова показала, что для расчета барьерных целиков сложенных мягкими рудами наиболее близкими к предлагаемой являются методики ОАО «Унипромедь» и В.Р. Рахимова. Вместе с тем по мере увеличения прочности барьерного целика методики ОАО «Унипромедь» и В.Р. Рахимова дают занижение ширины барьерного целика в 1,2-1,5 раза по сравнению с предлагаемой. Наиболее существенное различие по сравнению с предлагаемой методикой показали методики ОАО «ВНИМИ» и Минцветмет СССР, что главным образом связано с расчетом целиков по допускаемым напряжениям и неучетом зон предельно-напряженного состояния в целиках.

При апробации разработанной методики были исследованы закономерности изменения ширины барьерного целика от глубины разработки, размеров смежных с ним выработанных пространств, мощности и прочности рудной залежи, позволяющие заключить, что основное влияние на ширину барьерного целика оказывают мощность и прочность рудной залежи в месте расположения целика. Принимая во внимание полученные результаты, был построен график зависимости отношения ширины к высоте барьерного целика от его прочности (рисунок 9), показывающий, что по несущей способности и исключению в барьерном целике горных ударов на глубинах, превышающих 800 м, будет являться барьерный целик с отношением ширины к высоте 3,0-3,5.

* Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов / И.М. Петухов, A.M. Линьков, B.C. Сидоров и др. - М.: Недра, 1992

Достоверность методических рекомендаций по определению допустимой ширины барьерных целиков подтверждается положительными результатами опытно-промышленных испытаний, проведенных при отработке сложных и удароопасных участков шахтных полей Североуральских бокситовых месторождений: блока 9ю гор. -680 м (глубина 880 м) и южного фланга блока 13 ы гор. -680 м шх. «Кальинская», «Восточной залежи» месторождения «Красная Шапочка» шх. 14-14— на глубинах 700 + 900 м, блоков 1Й-2Й сев. гор. -680 м (глубина 880 м) шх. 14-14 —, блоков 17—18£ гор. -740 м (глубина 940 м) шх. 14-14 —, блоков 22-23s гор. -740 м (глубина 940 м) шх. 14-14— ОАО «Севуралбокситруда».

5. Безопасное применение камерно-столбовой системы разработки в удароопасных условиях обеспечивается заблаговременной скважинной обработкой удароопасных зон, выявление которых достигается на основе перспективного прогнозирования напряженного и удароопасного состояния с применением автоматизированного программного комплекса «PRESS 3D URAL».

Разработка рудной залежи сложного геологического строения с неравномерным пространственным изменением мощности и прочности руды, а также влиянием ряда дополнительных угроз представляет повышенную опасность без применения своевременного прогнозирования и принятия решений по устранению удароопасности.

Применение региональных и локальных инструментальных методов прогноза удароопасности в соответствии с «Инструкцией...»* направлено на выполнение текущего прогноза удароопасности при проходке выработок и не позволяет осуществлять заблаговременную оценку удароопасности целиков и рудной залежи с учетом перспективного развития работ. В качестве альтернативных методов прогноза, регла-

* «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)»

3.6 -|---

3.4-----

3.2-----

3 -I---^

20 40 60 80

Прочность БЦ. МПа

Рисунок 9 - График зависимости отношения ширины к высоте барьерного целика от его прочности

ментируемых РД 06-329-99 и направленных на осуществление перспективного прогнозирования, применяются аналитические расчетные методы оценки напряженного состояния и удароопасности массива горных пород с построением прогнозных карт. Вместе с тем методика построения прогнозных карт опорного давления в соответствии с «Методическими положениями...»* включает только анализ напряженного состояния массива горных пород при разработке абсолютно-жестких тонких рудных залежей (аналог угольных пластов) и не позволяет в совокупности учитывать влияние естественной и техногенной податливости, а также тектонической нарушенное™ при планировании развития горных работ, в том числе при прогнозе удароопасности и определении параметров разгрузочных мероприятий.

Для решения этой задачи было разработано методическое и программное обеспечение «PRESS 3D URAL» (свидетельство о государственной регистрации в Роспатент. 2012. Per. №2012618481), позволяющее прогнозировать напряженное и удароопасное состояние, а также определять допустимые параметры разгрузочных скважин с учетом широкого диапазона горно-геологических, горно-технических и технологических факторов. Программный комплекс (ПК) включает реализацию трех основных блоков: обработки исходной документации, расчетный численно-аналитический, а также блок обработки результатов для визуализации и анализа.

Автоматизация формирования базы исходных данных объектов заключается в автоматическом построении электронной сетки объектов целиков, рудной залежи и выработанного пространства (геометрические параметры) с последующим автоматическим интерполированием их свойств (глубины, мощности, физико-механических характеристик, параметров мелко-амплитудных тектонических нарушений (MATH), толщины техногенного зазора) в пределах исследуемого участка с применением метода триангуляции Делоне, а также в автоматическом формировании данных по крупно-амплитудным тектоническим нарушениям (КАТН) с учетом пространственной конфигурации плоскостей сместителей и физико-механических свойств пород шва.

* «Методические указания по использованию программ для расчета и графического построения напряжений в массиве горных пород около выработок». Л.: ВНИМИ, 1981.

Автоматизация численно-аналитического блока заключается в разработке алгоритмов, программно реализующих различные расчетные методы, содержащие значительное количество циклических конструкций.

Автоматизация блока обработки результатов расчетов напряжений, деформаций, перемещений, показателей удароопасности, выделение удароопасных зон в пределах рудной залежи и зон разрушений на плоскостях сместителей КАТН, параметров разгрузочных скважин и др. заключается в использовании технологии «связывания и внедрения объектов» с автоматическим экспортом результатов в современные графические системы визуализации AutoCad, Serfer, CorelDraw.

Численно-аналитический модуль включает следующие разработанные геомеханические модули: расчета напряженного состояния и удароопасности объектов целиков и рудной залежи, а также расчета допустимых параметров разгрузочных скважин.

Расчетная модель напряженно-деформированного состояния рудной залежи и вмещающих пород блочного массива главным образом базируется на следующих геомеханических предпосылках:

- вмещающие породы предполагаются сплошной однородной, изотропной, линейно-упругой средой;

- рудная залежь предполагается переменной мощности и прочности, с наличием участков с техногенным зазором, а также включениями различной жесткости, характеризующими мелкоамплитудные тектонические нарушения с величиной смещения крыльев менее мощности залежи. В соответствии с классификацией ОАО «ВНИМИ» и положительными данными опытно-промышленных испытаний метода прогнозирования напряженного состояния массива горных пород в зонах влияния MATH нарушения I типа допустимо моделировать в виде жестких включений с модулями упругости Ер =105МПа, а нарушения II типа в виде мягких включений с модулями упругости Ер =0,5-102МПа;

- КАТН предполагаются в массиве горных пород мнимыми (фиктивными) плоскостями сместителей с различной величиной сцепления и угла внутреннего трения пород шва плоскости сместителя нарушения.

Анализ опыта применения численных методов расчета напряжений показал, что для моделирования разработки пластовых рудных месторождений в объемной постановке по простоте и эффективности наиболее целесообразным является использование метода граничных инте-

гральных уравнений (ГИУ). Для совокупного учета естественной и техногенной податливости целиков и рудной залежи, а также влияния тектонических нарушений разработаны специальные формы ГИУ. Для определения наведенных перемещений в рудной залежи от влияния зон разрушений на плоскости сместителя КАТН использовано известное аналитическое выражение Кельвина.

Для прогноза удароопасности целиков и рудной залежи принят надежный энергетический показатель удароопасности, разработанный учеными ВНИМИ, и учитывающий модуль спада руды на запредельной диаграмме деформирования. В диссертации разработана методика позволяющая аналитически определять модуль спада с дополнительным учетом коэффициента интенсивности напряжений и паспорта прочности руды. В случае, если расчетный показатель удароопасности превышает 1 (г\уд > 1), зоны классифицируются кок «опасные» и требуют

дальнейшего применения профилактических мероприятий по разгрузке.

Для определения расстояния между стенками строчки разгрузочных скважин разработано аналитическое выражение, учитывающее: расстояние между стенками строчки разгрузочных скважин; диаметр разгрузочных скважин; модуль упругости руды удароопасного элемента; величину допустимого вертикального напряжения, при котором Г[уд < 0,7 ; радиус зоны неупругих деформаций, формирующихся вокруг

скважины. Следует отметить, что для определения допустимых параметров разгрузки на удароопасных участках рудной залежи программный комплекс «PRESS 3D URAL» предусматривает реализацию метода последовательных приближений по WCKB до выполнения условия безопасности гц < 0,7.

Процесс построения ЗО-модели участка приведен на рисунке 10. В связи с тем, что интенсивность нарастания геодинамических процессов отмечается при достижении пролета отработки 40-50 м, к оценке принимались варианты развития горных работ КССР, приведенные на рисунке 11. При расчетах принимались следующие исходные данные: глубина горных работ 1000 м; мощность рудной залежи и целиков, а также их физико-механические свойства переменными, как по площади, так и в разрезе участка; Ер = 105 МПа для MATH I типа; Ер =0,5-102МПа для MATH II

типа; КАТН со следующими параметрами: ßmH = 90°, атн = 75°, направление падения - запад, р = 10° (1тип).

а)

У ! А ' ' и : п

i—1Д1 jl°gl.-llHI.'r I,.' I?

■»J. гЦЩжййЫ L- L.Td^^rH

— в)

■ ы а - [> □

31 С 1 «Vit IKKi; Ofw J н 1 к iLssii ±1 =

1 ; «14! arr|n*rf и ! 1 •ipmIopmIiwhI > ¡ом

. пця': oviN.nliwiH.nl. iH.Blcn-j-jBln.m.ol

Г)'

. HJ ej.-: JJi-BJ ... Д.; ■.¡"Jral »,[■!■

Д)

Sit

JH.J. 0>*'"..gj

.....'......................................................7' _

■

Ш1

r~ Г—"3

■«аз

««»»■isena

. «*«.* RSft a * - - -i • • •

—it*-.it—-j*" ё

П\il e<Siü WET ПИТИЙ A^tw.5

VwflHacu'".....

Рисунок 10 - Процесс построения 3D модели участка а) привязка участка работ; б) создание электронной сетки расчетных элементов и выделение объектов рудного массива и выработанного пространства; в) интерполяция свойств объектов; г) выделение и формирование свойств объектов MATH и КАТЫ; д) окончательный вид расчетной модели экспортированный в систему AutoCad

Рисунок 12 - Процесс формирования зон разрушения (подвижек) на плоскости сместителя КАТН а) вариант 1; б) вариант 2; в) вариант 3; г) вариант 4; - ранее прошедшие подвижки; 1 - фактические подвижки

а) 85

в) 85

б) 85-

///////////////////////

!g| .....-'Л--

"In щш

20100-

BJH В|@ и

О 38 42 80

85 у//////////////////////,

!.....|3;.....|

0 38 42 80

ГП - номер междукамериот целнка (МКЦ)

1и-ц ш\ш Ш

О 38 42 80

311

777

[~] - МКЦ на остаточной прочности

Рисунок 11 - Расчетные схемы участка а) вариант 1; б) вариант 2; в) вариант 3; г) вариант 4

Таблица 3 - Результаты выявления удароопасных зон в МКЦ (до разгрузки)

Вариант

Номер МКЦ

Вариант

То г д н it ■ Г

шш

Номер МКЦ

12 13 14

ши

Вариант

Номер МКЦ

Вариант

Номер МКЦ

I Ml I

□ ■- V < 0,7;.□ ■- 0,7 < Пуд < 1,0; ■- v > 1,0;

Таблица 4 - Результаты прогнозной оценки параметров заблаговременной скважинной разгрузки

№ № Л уд, шах W скв,кр Л уд, рс ^z.min ^сж,т in R F р, min L h С

вар. МКЦ м МПа МПа м МПа м м м

1 1 1,15 0,017 0,65 102,0 40 0,227 1,8 5,30 5,00 0,62

2 0,34 0,000 0,70 - - - - - - -

3 1,83 0,032 0,66 168,6 40 0,358 1,8 10,29 5,00 0,91

4 4,73 0,055 0,56 98,5 40 0,220 1,8 17,68 5,00 0,60

5 2,11 0,035 0,54 116,6 40 0,256 1,8 11,25 5,00 0,69

6 0,16 0,000 0,70 - - - - - - -

7 0,25 0,000 0,53 - - - - - - -

8 7,58 0,005 0,46 122,9 40 0,268 1,8 1,61 1,61 0,56

2 9 2,63 0,042 0,69 93,6 40 0,210 1,8 13,34 5,00 0,58

10 2,32 0,030 0,70 105,0 40 0,233 1,8 9,64 5,00 0,63

11 0,92 0,010 0,70 538,9 120 0,380 1,8 5,95 5,00 0,96

12 0,37 0,000 0,43 - - - - - - -

13 1,68 0,025 0,60 114,0 40 0,251 1,8 8,04 5,00 0,67

14 0,25 0,000 0,29 - - - - - - -

15 1,17 0,017 0,61 103,3 40 0,230 1,8 5,30 5,00 0,63

16 4,21 0,025 0,66 114,7 20 0,478 0,6 5,36 5,00 1,16

3 17 8,32 0,049 0,59 79,5 40 0,183 1,8 15,75 5,00 0,52

18 11,92 0,058 0,67 84,7 40 0,193 1,8 18,48 5,00 0,54

19 0,36 0,000 0,52 - - - - - - -

20 2,55 0,042 0,69 112,3 40 0,247 1,8 13,50 5,00 0,67

21 4,73 0,050 0,69 115,2 40 0,253 1,8 16,07 5,00 0,68

22 1,88 0,035 0,65 116,3 40 0,255 1,8 11,25 5,00 0,68

23 3,12 0,037 0,70 107,2 40 0,237 1,8 11,73 5,00 0,64

24 0,14 0,000 0,12 - - - - - - -

4 25 3,95 0,055 0,64 121,1 40 0,265 1,8 17,68 5,00 0,71

26 3,16 0,056 0,65 93,0 20 0,392 0,6 12,00 5,00 0,98

27 4,16 0,084 0,63 108,1 40 0,239 1,8 26,84 5,00 0,65

28 7,17 0,073 0,67 149,2 40 0,320 1,8 23,46 5,00 0,83

29 3,35 0,060 0,66 98,8 20 0,415 0,6 12,86 5,00 1,03

30 0,68 0,015 0,67 92,9 20 0,392 0,6 3,21 3,21 0,89

31 4,47 0,052 0,66 139,4 40 0,301 1,8 16,71 5,00 0,79

32 1,18 0,000 - - - - - - - -

Примечание: r|ydmax - максимальный показатель удароопасности в МКЦ; WCKe - допустимая толщина техногенного зазора, соответствующая х\уд да0,6-^0,7, м; r)ydpc- контрольная величина показателя удароопасности в МКЦ: а , а , Е - величина нормального сжимающего

z,min 7 сж, min' /?,min г

напряжения, предел прочности на сжатие и модуль упругости в элементе МКЦ в котором тц «0,7, МПа; R - размер зоны неупругих деформаций вокруг скважины, м; L , Ьф - расчетная и фактическая ширина зоны влияния строчки скважин, м; С, Cmin, Сфакт - расстояние между разгрузочными скважинами в МКЦ, на участке и фактическое, м.

Таблица 5 - Дифференциация параметров скважинной разгрузки по участкам

№ уч-ка № МКЦ с 1П1П М г факт М Фланг очистного блока Направление бурения

1 1,9 0,56 0,5 Западный По восстанию

2 2,10 0,63 0,6

3 3,11 0,91 0,9

4 4,12 0,60 0,6

5,13 0,67 0,6 Восточный

- 6,14 - -

5 7,15 0,63 0,6

6 8,16 0,56 0,5

7 17,25 0,52 0,5 Западный По падению

18,26 0,54

8 19,27 0,65 0,6

20,28 0,67

21,29 0,68 0,6 Восточный

22,30 0,68

23,31 0,64

- 24,32 - -

□ □ □ □□ □ □ □

70-

-ттр-

р □ □ а

45 J

25-20-

плтпп

п □ □ п

.Л:Ь£1.ПХ1.П.£1.г.в [6] III ¡1 га и! иб

3 [2] Ш э1 10 и т

буровой штрек % буровой штрек ШШШ ШШ :22 23 ¡24]

О 38 42

[1 1 - номер междукамерного целика (МКЦ)

б)

□ □ □ □ о □ □ □

.......! »..... /.......' I....... и ,1......] 1...

□ сг ъ с: □ гГ ъ [I

Б п ....... п !....... п Г " Г

1 2 3 4 1 4 5 6

буровой штрек ;=> буровой штрек

0 38 42

Щ - номер участка скважинной обработки

Рисунок 13 - Участок рудной залежи АБВГ для проведения заблаговременной скважинной разгрузки а) проекции МКЦ; б) зоны скважинной разгрузки

При оценке напряженного и удароопасного состояния рудной залежи и целиков учитывался геодинамический процесс формирования зон разрушения на контактной поверхности сместителя КАТН при развитии очистых работ, а также определялась степень влияния подвижек КАТН на напряженное состояние МКЦ. Для корректности расчетов к оценке принимались только фактические подвижки, происходящие в процессе приращения выработанного пространства (рисунок 12).

Выполненный анализ степени влияния подвижек на КАТН показал, что существенное влияние КАТН оказывает на напряженное состояние примыкающих МКЦ, представленных прочными разновидностями руд. При этом МКЦ, сложенные мягкими рудами, оказывают демпфирующий (разгружающий) эффект за счет их естественной податливости. Такой же локальный и скачкообразный эффект оказывают MATH. Таким образом, неучет влияния наведенной пригрузки от MATH и КАТН может привести к недостоверной оценке напряженного состояния рудной залежи и МКЦ, и как следствие, к ошибкам при дальнейшем прогнозе удароопасности.

В таблице 3 приведены полученные результаты прогнозной оценки удароопасных зон в МКЦ с дополнительным учетом влияния MATH и КАТН. Анализ результатов показывает, что при развитии горных работ 50-70 % МКЦ будет формироваться в удароопасном состоянии.

Для обеспечения безопасности ведения горных работ на СУБРе используется заблаговременная площадная разгрузка рудной залежи скважинами большого диаметра. Несмотря на то, что данный способ профилактики удароопасности широко и эффективно применяется при разработке удароопасных рудных месторождений, параметры заблаговременной разгрузки принимаются с использованием опытных экспериментальных данных, полученных при разгрузке рудной залежи в аналогичных условиях, что может приводить к существенным неточностям при выборе параметров разгрузки на участках сложного геологического строения, характеризующихся неравномерным скачкообразным напряженным состоянием. Это подтверждает выполненная аналитическая оценка параметров скважинной разгрузки, базирующаяся на результатах численных расчетов параметров напряженного и удароопасного состояния рудной залежи и МКЦ. Результаты прогнозной оценки параметров разгрузочных мероприятий приведены в таблицах 4-5. Расположение участков рудной залежи для проведения заблаговременной скважинной разгрузки приведено на рисунке 13.

Корректность разработанного программного комплекса «PRESS 3D URAL» подтверждается подобием моделируемого геомеханического процесса - реальному, установленному при проведении опытно-экспериментальных работ на рудниках ОАО «Севуралбокситруда» (шх. «Кальинская», гор. - 680 м, бл. 7ю-9ю), ОАО «ГМК «Норильский Никель» (п. 8-9 РМ-1 р-к «Октябрьский», л. 20,21 п. 4,6 НХР р-к «Скалистый»), ОАО «Севкузбассуголь» и др, удовлетворительной сходимостью результатов тестовых задач с данными лабораторного моделирования на эквивалентных материалах и результатами численных экспериментов с привлечением сертифицированного программного комплекса Similla Abaqus.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены новые научно обоснованные технические решения по геомеханическому обеспечению камерно-столбовой системы разработки удароопасных рудных залежей на больших глубинах в сложных геомеханических условиях. Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Разработана концепция проведения комплекса научно-исследовательских работ, заключающаяся: в поэтапном изучении причин разрушения выработок и горных конструкций (выявлении объектов угроз) и определении объектов геомеханического обеспечения; проведении аудита применяемого на руднике геомеханического обеспечения по определению параметров КССР и прогнозу удароопасности; совершенствовании и разработке нового геомеханического обеспечения с учетом влияния природных и техногенных угроз; проведении экспериментальной проверки новых параметров КССР в удароопасных условиях шахт СУБРа; внедрении нового геомеханического обеспечения в горное производство.

2. Определены направления развития геомеханического обеспечения камерно-столбовой системы разработки удароопасных рудных месторождений на больших глубинах, позволяющие значительно повысить безопасность применения КССР и развивающие теорию механики горных ударов, управления горным давлением и удароопасным состоянием рудной залежи и целиков.

3. Установлены закономерности изменения напряженного состояния и устойчивости междукамерных целиков с учетом влияния различных горно-геологических и горно-технических факторов, позволяющие заключить, что на глубинах, превышающих 800 м, междукамерные целики не выдерживают нагрузок от давления вышележащих пород, разрушаются и переходят на остаточную прочность для всех разновидностей бокситовых руд.

4. Разработаны аналитические методы расчета допустимой ширины междукамерных столбчатых и ленточных целиков с учетом их остаточной прочности, а также определены зависимости ширины междукамерных целиков от широкого диапазона горно-геологических и горнотехнических факторов. Неучет запредельного режима деформирования приводит к занижению в 1,5 раза грузонесущей площади поперечного сечения междукамерных целиков, представленных разновидностями мягких и средней крепости рудами.

5. Усовершенствована методика определения модуля спада с учетом действия предельных разрушающих касательных напряжений паспорта контактной прочности руды, обеспечивающего резерв по увеличению допустимого пролета выработанного пространства в 1,5-2,0 раза при отработке наиболее удароопасных прочных и средней прочности бокситовых руд, а также позволяющее избегать завышения эффективности профилактических мероприятий в 1,3-1,5 раза для мягких и средней прочности бокситовых руд. Наличие пластичных прослойков в рудной залежи благоприятно влияет на допустимые размеры выработанных пространств и приводит их увеличению более чем в 1,5-3,0 раза.

6. Разработан аналитический метод расчета допустимых размеров выработанных пространств (расстояний между несущими опорами) с учетом формирования единого псевдопространства при разрушении междукамерных целиков, и определены зависимости параметров выработанных пространств от широкого диапазона горно-геологических и горнотехнических факторов.

7. Исследован процесс нагружения несущих барьерных целиков, оставляемых в качестве несущих опор, с учетом влияния удароопасно-сти, а также разработана инженерная методика расчета допустимой ширины барьерных целиков и определены зависимости ширины барьерных целиков от широкого диапазона горно-геологических и горнотехнических факторов. Выявлено, что основное влияние на допустимую ширину барьерных целиков оказывает мощность и прочность рудной

залежи в месте расположения целиков и определено оптимальное соотношение «ширина-высота» барьерных целиков по обеспечению их несущей способности и исключению в них горных ударов, равное 3,0-3,5. При этом, при определении ширины предельного целика существенное уточнение на 30-50% в сторону увеличения вносит учет паспорта прочности руды.

8. Развит метод граничных интегральных уравнений пространственной задачи теории упругости, позволяющий осуществлять количественную оценку напряженного состояния рудной залежи и целиков с дополнительным учетом влияния зон разрушения на контактной поверхности сместителя крупноамплитудного тектонического нарушения.

9. Усовершенствовано выражение для определения модуля спада, в котором предложено дополнительно учитывать коэффициенты интенсивности напряжений и предельные разрушающие касательные напряжения паспорта контактной прочности руды для прогнозирования уда-роопасности рудной залежи и целиков.

10. Разработаны численные алгоритмы, средства автоматизации исходных данных и программное обеспечение «PRESS 3D URAL» для прогнозирования напряженного и удароопасного состояния рудной залежи и целиков с учетом резкого изменения гипсометрии, конфигурации краевой части и физико-механических свойств рудной залежи и целиков, наличия тектонических нарушений и параметров скважинной разгрузки, а также определять параметры заблаговременной скважинной разгрузки удароопасных зон.

11. Предложенные новые научно обоснованные технические решения по геомеханическому обеспечению камерно-столбовой системы разработки удароопасных рудных месторождений Североуральского бокситового бассейна на больших глубинах доведены до внедрения на всех шахтах ОАО «Севуралбокситруда».

12. Разработанная автоматизированная система «PRESS 3D URAL» обладает достаточной общностью и позволяет решать дополнительный круг геомеханических задач возникающих при разработке месторождений на других горно-добывающих предприятиях.

Основные научные и практические результаты вошли составной частью в ряд нормативно-методических документов, которые используются производственными, проектными и научно-исследовательскими организациями, а также при обучении горных инженеров.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные публикации входящие в перечень ВАК Минобрнауки России:

1. Сидоров Д.В. К расчету напряжений в несущих элементах камерно-столбовой системы разработки / Д.В. Сидоров // Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ). - 1999. - № 3. - М.: МГГУ. - С. 42-43.

2. Шабаров А.Н. Расчет параметров разгрузки целиков при разработке рудных месторождений / А.Н. Шабаров, В.Г. Селивоник, Д.В. Сидоров // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2000. - № 1. - С. 27 - 35.

3. Шабаров А.Н. Влияние тектонических нарушений на закономерности распределения напряжений в зонах опорного давления / А.Н. Шабаров, Д.В. Сидоров // Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ). - 2003. - № 3. - М.: МГГУ. - С. 237 - 239.

4. Филинков A.A. Оценка эффективности разгрузки рудного массива скважинами большого диаметра / A.A. Филинков, Д.В. Сидоров, А.Э. Бодров, А.Н. Ламзин, В.И. Урусов // Горный журнал. - 2004. -№ 12.-С. 49-52.

5. Сидоров Д.В. Прогноз геодинамических процессов при разработке удароопасного Североуральского бокситового месторождения / Д.В. Сидоров, О.Б. Шонин // Записки Горного института. - 2010. - Том 188.-С. 117-120.

6. Кротов Н.В. Установление размеров угольных целиков при подготовке пластов парными выемочными выработками / Н.В. Кротов, Ф.П. Ивченко, Д.В. Сидоров // Записки Горного института. - 2010. -Том 188.-С. 125- 126.

7. Сидоров Д.В. Технико-экономическое обоснование оптимальных параметров целиков при проектировании разработки удароопасных рудных месторождений / Д.В. Сидоров, Т.В. Пономаренко // Записки Горного института. - 2012. - Том 198. - С. 11 - 14.

8. Сидоров Д.В. Геомеханическое обоснование конструктивных параметров камерно-столбовой системы разработки для проектирования глубоких горизонтов СУБРа / Д.В. Сидоров // Записки Горного института. - 2012. - Том 199.-С. 134- 140.

9. Сидоров Д.В. Методология комплексной оценки влияния тектонических нарушений на устойчивость массива горных пород при разработке удароопасных рудных месторождений сложного геологического строения / Д.В. Сидоров // Записки Горного института. - 2012. - Том 199.-С. 78 - 83.

10. Сидоров Д.В. Развитие геомеханического обеспечения камерно-столбовой системы разработки удароопасных рудных месторождений на больших глубинах / Д.В. Сидоров // Записки Горного института. - 2013. - Том 204. - С. 276 - 283.

11. Сидоров Д.В. Научно-методическое обоснование параметров несущих барьерных целиков при камерно-столбовой системе разработки удароопасных рудных месторождений на больших глубинах / Д.В. Сидоров // Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ). - 2013. - № 12. - М.: МГГУ. - С. 32 - 35.

12. Сидоров Д.В. Научно-методическое обоснование параметров податливых междукамерных целиков при камерно-столбовой системе разработки удароопасных рудных месторождений на больших глубинах / Д.В. Сидоров // Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ). - 2013. - № 12. - М.: МГГУ. - С. 28 - 31.

13. Сидоров Д.В. Применение автоматизированного программного комплекса «PRESS 3D URAL» для прогнозирования удароопасных зон и параметров заблаговременной скважинной разгрузки рудной залежи и целиков в сложных геомеханических условиях / Д.В. Сидоров // Записки Горного института. - 2013. - Том 204. - С. 284 - 293.

14. Сидоров Д.В. Методическое обеспечение расчета системы не-удароопасных целиков при многоштрековой подготовке выемочных столбов / Д.В. Сидоров // Записки Горного института. - 2013. - Том 205. -С. 145- 147.

15. Сидоров Д.В. Аналитический метод определения параметров запредельного деформирования руды для оценки удароопасности рудной залежи на больших глубинах при ведении очистных работ камерно-столбовой системой разработки / Д.В. Сидоров // Записки Горного института. - 2014. - Том 208. - С. 277 - 282.

16. Косухин Н.И. Оценка напряженного состояния рудного массива при ведении горных работ в зонах мелко-амплитудных тектонических нарушений / Н.И. Косухин, Д.В. Сидоров, А.Н. Шабаров // Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ). - 2014. - № 12. -М.: МГГУ.-С. 142- 148.

Другие научные публикации:

17. Кротов Н.В. Текущий прогноз динамической опасности при разработке угольных месторождений / Н.В. Кротов, B.C. Сидоров, Д.В. Сидоров, A.B. Кузнецов // Горная геомеханика и маркшейдерское дело: Сб. научных трудов. - СПб. - ВНИМИ. - 1999. - С. 400 - 406.

18. Кротов Н.В. Повышение эффективности профилактических мероприятий при отработке ударо - и выбросоопасных угольных пластов в зонах ПГД / Н.В. Кротов, B.C. Сидоров, Д.В. Сидоров, В.П. Ко-стромин, A.A. Вьюников, А.Н. Осипов // Современные проблемы безопасной разработки угольных месторождений. - Координационное совещание 22 - 24 ноября 2005 г. - Сб. докладов. - СПб. - ВНИМИ. -2006.-С. 185 - 192.

19. Сидоров Д.В. Создание, внедрение и эксплуатация программного комплекса для оценки и контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) и удароопасности участков угольных пластов на шахтах России / Д.В. Сидоров // Сборник работ победителей XIV Конкурса научно-технических разработок среди молодежи предприятий и организаций топливно-энергетического комплекса. - М. - Минпромэнерго РФ.-2006.-С. 165- 172.

20. Сидоров Д.В. Закономерности формирования геодинамического состояния выбросоопасных угольных пластов в зонах влияния тектонических нарушений / Д.В. Сидоров // Геомеханические и геодинамические аспекты повышения эффективности добычи шахтного и угольного метана. - Рабочее совещание 20-22 сентября 2006 г. - Сб. докладов. - СПб. - ВНИМИ. - 2007. - С. 305 - 309.

21. Шабаров А.Н. Применение компьютерных технологий для выбора оптимальных параметров разгрузочных скважин с целью обеспечения дегазации угольных пластов / А.Н. Шабаров, Н.В. Кротов, Д.В. Сидоров, A.A. Вьюников // Геомеханические и геодинамические аспекты повышения эффективности добычи шахтного и угольного метана. -Рабочее совещание 20-22 сентября 2006 г. - Сб. докладов. - СПб. -ВНИМИ. - 2007. - С. 323 - 330.

22. Кротов Н.В. Прогноз горных ударов с разрушением почвы парных выработок / Н.В. Кротов, B.C. Сидоров, Д.В. Сидоров, A.A. Вьюников // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения. Труды VI Межрегиональной научно-практической конференции 9-11 апреля 2008 г. - Воркута: ВФ СПГГИ (ТУ). - 2008. -С. 239-241.

23. Shabarov A.N. Modern Methods and Means for Solving Forecast Issues and Prevention of Geodynamic Phenomena in Collieries / A.N. Shabarov, N.V. Krotov, Sidorov D.V., S.V. Tsirel // 21st World Mining Con-gress&Expo 2008. - 7 - 12 September 2008. - Poland. - Krakow. - 2008. -P. 137- 142.

24. Шадрин M.A Геомеханическое обоснование вскрытия и отработки прибортовых запасов Коашвинского месторождения апатит-нефелиновых руд / М.А. Шадрин, A.B. Широков, Д.В. Сидоров, А.Г. Зилеев // Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование. / Сб. трудов междунар. научно-практ. конф. // Вып. 5. - Пермь. - 2009. -С. 31-35.

25. Сидоров Д.В. Компьютерный прогноз устойчивости шахтного ствола «Голема Река» рудника «Caca Дооел» / Д.В. Сидоров // Рудник будущего. - 2010. -№3,- С. 119-121.

26. Сидоров Д.В. Прогноз геодинамической опасности при разработке Североуральских бокситовых месторождений в зонах влияния тектонических нарушений / Д.В. Сидоров // Рудник будущего. - 2011. -№ 3. - С. 64-67.

27. Сидоров Д.В. Геомеханическое обоснование допустимых пролетов сопряжений между погрузочными заездами на Кировском руднике ОАО «Апатит» / Д.В. Сидоров // Рудник будущего. - 2011. - № 3. -С. 80-82.

28. Сидоров Д.В. Методика прогноза удароопасности при проходке спаренных выработок по удароопасным пластам / Д.В. Сидоров // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. научн. трудов. Вып. 17. - Донецк: «Норд - Пресс». -2011.-С. 274-277.

29. Сидоров Д.В. Геомеханическое обоснование безопасных параметров целиков между буродоставочными выработками в зонах повышенного горного давления / Д.В. Сидоров // Известия ТулГУ. Науки о Земле. Вып. 1. - Тула: Изд-во ТулГУ. - 2011. - С. 374 - 378.

30. Сидоров Д.В. Программа для ЭВМ «PRESS 3D URAL» / Д.В. Сидоров // Свидетельство о государственной регистрации в Роспатент. - 2012. -Регистрационный номер 2012618481.

31. Сидоров Д.В. Обоснование безопасных опережений горнопроходческих забоев спаренных подготовительных выработок / Д.В. Сидоров // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных

сооружений. Сб. научн. трудов. Вып. 18. - Донецк: «Норд - Пресс». -

2012.-С. 51-54.

32. Сидоров Д.В. Оценка напряженного состояния междукамерных целиков на рудниках ЗАО «Эльконский ГМК» / Д.В. Сидоров, А.Д. Ку-ранов, А.В. Сучилин // Народное хозяйство республики Коми. - Воркута. - Том 21. - 2012. - С. 28-31.

33. Сидоров Д.В. Методы оценки напряженного состояния и уда-роопасности рудных залежей / Д.В. Сидоров // Геодинамика и современные технологии отработки удароопасных месторождений. - Сборник научных трудов. - Норильск. - ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель». - 2012. - С. 135 - 139.

34. Сидоров Д.В. Геомеханические исследования устойчивости массива горных пород в зонах разрывных тектонических нарушений / Д.В. Сидоров // Сборник материалов научного семинара стипендиатов программ «Михаил Ломоносов И» и «Иммануил Кант И» 2011/2012 года. - Семинар 28 - 29 апреля 2012 г. - Сб. докладов. - Москва. - Ми-нобрнауки РФ.-DAAD.-2012.-С. 157- 160.

35. Sidorov D.V. Komputerowa jctna zagrozenia tapaniami zloz rudnych о zlozonej budowie geologicznej / D.V. Sidorov // Mechanizacja i automatyzacja gornictwa. - Katowice. - Poland. - 2012. Nr. 3/493. -S. 19-25.

36. Mulev S.N. System regionalnego prognozowania zagrozenia tapaniami w kopalniach Rosji / S.N. Mulev, D.V. Sidorov // Mechanizacja i automatyzacja gornictwa. - Katowice. - Poland. - 2012. Nr. 3/493. -S. 26-30.

37. Sidorov D.V. Automation of the interpolation of pre-processor basic data for program complex «PRESS 3D URAL» / D.V. Sidorov, S.P. Mozer, I.A. Brigadnov // Journal of Advanced Computer Science and Technology. - 2013. - № 2. - P. 59 - 67.

38. Sidorov D.V. Geomechaniczne uzasadnienie parametrow filarow przy eksploatacji zloz blisko lezacych w kopalni «Kajerkanskij» / D.V. Sidorov // Mechanizacja i automatyzacja gornictwa. - Katowice. - Poland. -

2013.-Nr. 3/505.-S. 12-20.

39. Sidorov D.V. Ocena prognostyczna stref zniszczenia na powierzchni dyslokacji tektonicznej «L» podczas prowadzenia robot gorniczych w poludniowym bloku kopalni «Siewiernaja» Spolki ОАО «Workutaugol» / D.V. Sidorov // Mechanizacja i automatyzacja gornictwa. -Katowice. - Poland. - 2013. - Nr 3/505. - S. 21 - 27.

40. Sidorov D.V. Metodyka okreslania parametrow odsloni^cia stropu w komorach wybierkowych przy eksploatacji zioz boksytu w warunkach gl^bokiego zalegania w polnocnej cz^sci Uralu / D.V. Sidorov // Mechanizacja i automatyzacja gornictwa. - Katowice. - Poland. - 2014. - Nr 2/516.-S. 51-57.

РИЦ Горного университета. 11.09.2015. 3.766. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

6QSCI- SI

9ZSZ199 юг

2015672825

Информация о работе

Сидоров, Дмитрий Владимирович
доктора технических наук
Санкт-Петербург, 2015
ВАК 25.00.20

Автореферат

Геомеханическое обеспечение камерно-столбовой системы разработки удароопасных месторождений Североуральского бокситового бассейна на больших глубинах - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы