Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геомеханическое обоснование безопасных способов отработки околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Геомеханическое обоснование безопасных способов отработки околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха"

На правах рукописи

005007658 КАРЕЛИН Владимир Николаевич

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ БЕЗОПАСНЫХ СПОСОБОВ ОТРАБОТКИ ОКОЛОСТВОЛЬНЫХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ ЦЕЛИКОВ ГЛУБОКИХ РУДНИКОВ ТАЛНАХА

Специальность 25.00.20

Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ННВ т

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2011

005007658

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель -

доктор технических наук

Шабаров Аркадий Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук

Каспарьян Эдуард Варужанович,

кандидат технических наук

Стеценко Виталий Петрович

Ведущее предприятие - ОАО «Институт по проектированию горнорудных предприятий Гипроруда».

Защита диссертации состоится 27 января 2012 г. в 13 ч 15 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, (bogusl@spmi.ru), ауд.1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 15 декабря 2011 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

Э.И.БОГУСЛАВСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Одним из путей решения проблемы рационального использования природных ресурсов и наиболее полного извлечения их из недр является расконсервация запасов, сосредоточенных в околоствольных предохранительных целиках. Это связано с тем, что выемка запасов из предохранительных целиков экономически более выгодна, чем освоение новых участков месторождений. Кроме того, действующий закон об охране недр требует как можно более полной выемки полезного ископаемого.

Выбор способа отработки предохранительных целиков требует решения сложной геомеханической и горнотехнической задачи. Сложность ее решения заключается в том, что оно связано не только с обоснованием технологических параметров ведения горных работ в сокращающемся в плане целике, но и с проблемами охраны объектов различной категории, а также контроля и управления процессом сдвижения земной поверхности и массива горных пород. При этом решение горнотехнической задачи еще более усложняется при необходимости сохранения эксплуатационного состояния ствола или его отдельных горизонтов.

Сдвижение земной поверхности и массива горных пород при отработке рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений приводит к образованию в околоствольном массиве предохранительных и околоствольных целиках зон повышенных напряжений, снижающих их прочность. Попутное вовлечение в добычу запасов руд, сосредоточенных в околоствольном предохранительном целике, усугубляет этот процесс. При этом участки стволов и капитальные выработки околоствольного двора, как правило, выходят из эксплуатационного состояния и требуют ремонтно-восстановительных работ, которые, особенно в стволах, ведутся в опасных условиях и требуют значительных материальных и трудовых затрат. Это негативно влияет на технико-экономические показатели работы глубоких рудников Талнаха, основных предприятий ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» по добыче редких полиметаллических руд.

Таким образом, на глубоких рудниках Талнаха сформировались особо сложные условия отработки околоствольных предохранительных целиков, что и определило актуальность настоящей работы.

Исследованию напряженно-деформированного состояния горного массива, попадающего в зону влияния горных работ, посвящены работы ученых: С. Г. Авершина, А.Г. Акимова, Б.П. Бад-тиева, Н.С. Булычева, Ф.Н. Воскобоева, И.Е. Долгих, В.А. Звездки-на, В.Н. Земисова, Г.Н. Кузнецова, A.M. Козела, A.M. Линькова, М.Г. Мустафина, И.М. Петухова, А.Г. Протосени, М.А. Розенбаума, А.П. Тапсиева, А.Н. Шабарова и многих других. В этих работах отражены важнейшие положения механики горных пород и массивов, составляющих основу ее современного состояния.

Тем не менее, геомеханическое состояние массива горных пород при отработке околоствольных предохранительных целиков недостаточно изучено, особенно на рудных месторождениях, отнесенных к склонным и опасным по горным ударам. По-прежнему ведущую роль при разработке регламентов и проектов отработки околоствольных предохранительных целиков на рудных месторождениях используют закономерности формирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород и опыт отработки околоствольных предохранительных целиков, полученные при разработке угольных месторождений.

Поэтому основной темой работы стал анализ реакций рудо-породного массива, крепи стволов и капитальных выработок околоствольного двора на повышенные деформации и напряжения, вызванные сдвижением подработанного массива, для разработки на этой основе рекомендаций по безопасной и эффективной отработке околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха.

Цель работы - геомеханическое обоснование и разработка рекомендаций, обеспечивающих безопасную отработку околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха.

Идея работы - для повышения безопасности и эффективности отработки околоствольных предохранительных целиков необходимо с помощью выбора рационального порядка ведения очистных работ, разупрочнения труднообрушаемых горных пород и перераспределения давления сдвигающейся толщи горных пород на рудный

и закладочный массивы исключить вероятность появления опасных напряжений и деформаций.

Основные задачи исследований:

1) установить закономерности процесса сдвижения и деформирования земной поверхности и породной толщи при выемке околоствольных предохранительных целиков с учетом геолого-структурных и горнотехнических особенностей глубоких рудников Талнаха;

2) установить особенности формирования напряженно-деформированного состояния рудопородного массива при развитии очистных работ в околоствольных предохранительных целиках;

3) разработать рекомендации по безопасной и эффективной отработке околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха с погашением или сохранением эксплуатационного состояния стволов.

Методы исследований.

Методы исследований включают анализ и обобщение сведений, содержащихся в литературных и фондовых источниках, натурные наблюдения процессов сдвижения и напряженно-деформированного состояния массива горных пород, шахтные эксперименты в условиях отработки околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха, аналитическую и статистическую обработку полученных результатов исследований.

Научная новизна работы:

1) установлены закономерности разворота мульды сдвижения земной поверхности вблизи тектонических нарушений с изменением отношения пролета отработки к средней глубине разработки рудной залежи, характеризующего условия выхода сдвижения на земную поверхность;

2) доказано, что на глубоких рудниках Талнаха при соотношении отработанной площади околоствольного предохранительного целика к его общей площади более 0,2, околоствольный массив и предохранительный целик деформируются в запредельном режиме с появлением опасных напряжений и деформаций.

Основные защищаемые положения:

1) развитие очистных работ глубоких рудников Талнаха вызывает ранний выход сдвижения на земную поверхность, а профиль мульды оседания земной поверхности характеризуется резкими пере-

гибами в местах выхода крупных тектонических нарушений и разворотом в сторону простирания плоскостей сместителя этих нарушений;

2) при отработке околоствольных предохранительных целиков нависающий над ними блочный массив можно рассматривать как квазислоистый массив, имеющий фиксированный предел прочности, при превышении которого в процессе выемки целика и прогиба кровли происходит резкое нарастание горизонтальных и особенно вертикальных деформаций;

3) для разработки безопасных и эффективных способов отработки околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха необходимо использовать формирование в закладочном массиве искусственных целиков из твердеющего материала с нормативной прочностью не менее 10 МПа и разгрузку околоствольного массива и рудного целика за счет создания отрезных щелей с помощью бурения скважин или камуфлетного взрывания.

Лостоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается большим объемом шахтных исследований, применением современных методов обработки экспериментальных данных и анализа геомеханического состояния массива горных пород при отработке околоствольных предохранительных целиков, а также положительными результатами промышленного внедрения рекомендаций на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».

Практическое значение работы:

- разработаны рекомендации по выбору порядка и способов отработки околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха с погашением или сохранением шахтных стволов;

- разработаны параметры технологических схем управления процессом сдвижения массива горных пород с применением высокопрочной твердеющей закладки и разгрузочных скважин при выемке околоствольных предохранительных целиков на уда-роопасных участках рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений.

Реализация работы. Разработанные рекомендации по выбору порядка и способов отработки околоствольных предохранительных целиков положены в основу согласованных с Ростехнадзором РФ «Указаний по безопасному ведению горных работ на Талнахском и

Октябрьском месторождениях, склонных и опасных по горным ударам» и используются:

- проектными организациями «ООО Институт «Гипрони-кель», институт «Норильскпроект» при разработке регламентов вскрытия рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений и отработке околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха;

- рудниками ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» при разработке профилактических мероприятий, обеспечивающих безопасные условия отработки околоствольных предохранительных целиков на удароопасных участках рудных залежей.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались: на международной конференции «Инновационные направления в проектировании горнодобывающих предприятий» (Санкт-Петербург, 2010), на международной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук» (Новосибирск, 2004), на горной секции Горно-геологического управления ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» (Норильск, 2005-2010 г.г.), на научно-техническом совете Научного центра геомеханики и проблем горного производства Санкт-Петербургского государственного горного университета (Санкт-Петербург, 2003-2011 гг.).

Личный вклад автора заключается: в постановке цели, задач и разработке методики исследований; в личном участии в организации и проведении экспериментальных работ на рудниках «Октябрьский» и «Таймырский»; в исследованиях процессов сдвижения земной поверхности и породного массива и напряженно-деформированного состояния околоствольных предохранительных целиков и крепи стволов; в анализе результатов наблюдений, выводе основных научных результатов; в разработке и внедрении рекомендаций по отработке околоствольных предохранительных целиков на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».

Публикации: Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 научных трудах (все в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России).

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 170 страниц текста, 71 рисунок, библиографический список из 111 наименований, 1 таблицу и 2 приложения на 5 страницах.

_Автор искренне благодарен к.т.н. В.А. Звездкину, к.г.-м.н.

Ю.Г. Кобылянскому], д.т.н. М.А. Розенбауму, д.т.н. А.Н. Шабарову,

д.т.н. C.B. Цирелю за внимание и ценные советы при подготовке и написании диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 приведены геолого-струшурные и горнотехнические особенности Октябрьского и Талнахского месторождений, современные представления о процессе сдвижения пород при подземной разработке месторождений, анализ деформаций подработанного массива горных пород и существующих технологий выемки околоствольных предохранительных целиков.

В главе 2 сформулированы цель и задачи исследований, разработана методика исследований сдвижения массива горных пород и напряженно-деформированного состояния рудопородного массива и крепи стволов при отработке околоствольных предохранительных целиков.

В главе 3 приведены результаты исследования процесса сдвижения тектонически нарушенного массива горных пород при развитии очистных работ в горных отводах рудников. Представлен анализ шахтных исследований с установлением закономерностей влияния очистных работ околоствольного предохранительного целика на процесс сдвижения подрабатываемого массива горных пород и напряженно-деформационное состояние околоствольного массива, крепи ствола и околоствольных выработок.

В главе 4 выполнено геомеханическое обоснование рекомендаций по порядку и способам отработки околоствольных предохранительных целиков и приведены результаты их опытно-промышленной проверки.

В заключении изложены основные научные и практические результаты диссертации.

В приложении приведен акт внедрения и расчетные технико-экономические показатели внедрения рекомендаций по способам и порядку отработки околоствольных предохранительных целиков на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель»

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Развитие очистных работ глубоких рудников Талнаха вызывает ранний выход сдвизкения на земную поверхность, а профиль мульды оседания земной поверхности характеризуется резкими перегибами в местах выхода крупных тектонических

нарушений и разворотом в сторону простирания плоскостей сместителя этих нарушений.

панели —0

Рисунок 1 — Формирование мульды сдвижения при развитии очистных работ рудника «Октябрьский» и «Таймырский» 1 - тектоническое нарушение; 2 — закладочный массив; 3 — профильные линии реперов геометрического нивелирования

Отработка рудных залежей Талнахского рудного узла характеризуется сложным процессом сдвижения земной поверхности в отработанной части рудных залежей. Анализ характера и величин сдвижения толщи пород и земной поверхности, формы и размеров мульды сдвижения показал определяющее влияние структурно-тектонических особенностей месторождения в этом процессе. Так, например, при отработке горных отводов рудников «Октябрьский» и «Таймырский», представляющих собой тектонически нарушенную

горную структуру, отмечался сложный характер формирования мульды сдвижения земной поверхности. При развитии очистных работ (рис. 1) вытянутость изолиний сдвижения земной поверхности совпадает с направлением плоскости крупных тектонических нарушений и сопровождается разворотом мульды оседания по простиранию плоскостей этих нарушений. Кроме того, структурная на-рушенность, формирующая блоковую структуру массива горных пород, и интенсивная отработка рудных залежей предопределила сравнительно ранний выход сдвижения на земную поверхность.

Выход сдвижения на земную поверхность происходил при размерах очистного пространства, составляющими менее 0,4 Яср, где Я^ - средняя глубина разработки рудной залежи.

2. При отработке околоствольных предохранительных целиков нависающий над ними блочный массив можно рассматривать как квазислоистый массив, имеющий фиксированный предел прочности, при превышении которого в процессе выемки целика и прогиба кровли происходит резкое нарастание горизонтальных и особенно вертикальных деформаций.

Исследованиями сдвижения породного массива было установлено, что после разрезки околоствольного предохранительного целика и развития очистных работ, характеризующегося соотношением отработанной площади целика и его общей площади (далее по тексту К„), не превышающим 0,2, процесс сдвижения можно представить как однородный с появлением незначительных величин сдвижения породного массива. Дальнейшая отработка целика активизирует процесс сдвижения породного массива. При соотношении К„ более 0,2 резко возрастают величины сдвижения породного массива с перемещением области повышенных величин в сторону ранее отработанных участков рудной залежи, примыкающих к границам околоствольного предохранительного целика. При этом величины сдвижения породного массива на порядок превышают величины сдвижения земной поверхности, что дает основание считать, что в районе околоствольного предохранительного целика происходит расслоение породного массива.

Расслоившийся породный массив сдвигается в режиме прогиба с тенденцией нарастания величины прогиба в районе ведения очистных работ и снижения величин прогиба в районе ранее отработанных и заложенных участков рудной залежи.

Это подтверждается исследованиями характера и параметров деформационного состояния околоствольного массива при развитии очистных работ в околоствольном предохранительном целике.

12

10

о

•-ч

X

а

а а-а-а

£ •в.

«и

г

А

5

5

О

к §

О

-4

/ 0

1 \

)» / /

Кп < 12 1/ Кп > ( ,2

ч 3

/ / 2 /

** к И \ 1

V

О 250 500 750 1000 1250 Продолжительность наблюдений, сутки

Рисунок 2 -Характер деформирования породного массива при выемке околоствольного предохранительного

целика

1,2- вертикальные и горизонтальные деформации; 3 -графики тренда

Как следует из графиков, приведенных на рисунке 2, при К„ меньше 0,2 процесс деформирования околоствольного массива характеризуется близкими по величине и относительно небольшими вертикальными и горизонтальными деформациями сжатия. В физическом смысле процесс деформирования околоствольного массива в этот период представляет собой уплотнение трещиноватого массива в более плотный массив за счет закрытия природных трещин. Дальнейшая отработка предохранительного целика активизирует процесс деформирования околоствольного массива и характеризуется резким повышением деформаций растяжения. Это, очевидно, связано с тем,

к

«3 £

е

о

5

«V,

й

I

п=169

Оср-69,2 МГ/а

что при соотношении К„ более 0,2 околоствольный массив попадает в зону активного влияния подработки. При невысокой прочности закладочного материала, применяемого на рудниках, деформации растяжения вызывают разрушение околоствольного массива и бетонной крепи ствола, которой закреплено подавляющее число стволов глубоких рудников Талнаха. В стволах происходит разрушение

бетона до коренных пород, а сечение ствола принимает форму эллипса, большая полуось которого примерно совпадает с простиранием плоскости сместителя тектонических нарушений.

Исследованиями было установлено, что сокращение площади околоствольного предохранительного целика и подработка тектонических блоков существенно изменяет напряженное состояние рудного массива целика. Сокращение площади околоствольного предохранительного целика сопровождается его уплотнением и повышением уровня напряженности. При этом анализ гистограмм распределения величин напряжений в рудном массиве околоствольного предохранительного целика (рис. 3) показал, что экспериментальное распределение величин обладает явно выраженной асимметрией и удовлетворительно описывается логнормальным распределением. Такой закон распределения величин напряжений свидетельствует о резком мультипликативном характере влияния жесткости рудного массива на формирование его напряженного состояния. Более жест-

0 70 140 Интервалы, МПа

Рисунок 3 - Гистограмма распределения напряжений в околоствольном предохранительном целике при Кп > 0,2

кие участки рудного массива оказываются в более нагруженном состоянии, чем менее жесткие, которые способны за счет податливости уходить из-под действия повышенных нагрузок. При этом напряжения в среднем составляют около 80 % предела прочности руды на одноосное сжатие. Такие напряжения не исключают вероятность проявления горного давления в динамической форме. При отработке околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха это проявляется в формах стреляния, шелушения, толчков и затем появлении в рудопородном массиве мощных сейсмических событий.

3. Для разработки безопасных и эффективных способов отработки околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха необходимо использовать формирование в закладочном массиве искусственных целиков из твердеющего материала с нормативной прочностью не менее 10 МПа и разгрузку околоствольного массива и рудного целика за счет создания отрезных щелей с помощью бурения скважин или камуф-летного взрывания.

Исследованиями было установлено, что при отработке околоствольного предохранительного целика подрабатываемый породный массив теряет сплошность в форме расслоения с образованием мощных породных слоев, склонных к зависанию.

С позиции горной геомеханики механизм деформирования породных слоев можно представить как сложный изгиб породной балки (плиты), опирающейся на упруго-пластичное основание, коэффициент упругости которого является переменной величиной. Непостоянство коэффициента упругости основания объясняется тем, что очистные работы ведутся с бурением разгрузочных скважин, снижающих жесткость краевых частей околоствольного предохранительного целика, а жесткость закладочного массива определяется сравнительно небольшой прочностью твердеющих материалов и растянутой во времени фазой твердения.

Исследования показали, что при К» более 0,2 в районе ствола и околоствольных выработок формируются зоны опасных напряжений и деформаций, которые вызывают разрушение массива горных пород с коэффициентом разрыхления, превышающим критическое значение. При этом снижается прочность массива, а разрыхление пород в замк-

нутом (закрепном) пространстве приводит к появлению предельных нагрузок на крепь ствола и выработок околоствольного двора.

Как показали исследования, дальнейшее сокращение площади околоствольного предохранительного целика активизирует процесс расслоения породного массива с перемещением области опасных напряжений и деформаций на участки околоствольного массива ствола более удаленные от кровли предохранительного целика (рис. 4).

Для исключения негативных последствий сдвижения мощных породных слоев были проведены экспериментальные работы по разделению их на искусственные блоки с целью дифференцированного распределения давления породной толщи на околоствольный предохранительный целик и закладочный массив и тем самым предотвратить появление в околоствольном

Рисунок 4 - Характер сдвижения породного массиве опасных напря-

массива в районе ствола жений и деформаций.

1 - ствол; 2 - предохранительный целик; 3 - Разделение по-

закладочный массив; 4 - породный слой; 5, б - родных слоев на искусст-сжимающие и растягивающие напряжения венные блоки проводилось отрезными щелями, образованными разрушением межскважинных целиков с помощью пробуренных в породных слоях рядов вертикальных скважин или камуф-летного взрывания зарядов ВВ.

Опытно-промышленная проверка способа разгрузки околоствольного массива разделением породных слоев на искусственные блоки была проведена при отработке околоствольного пре-

^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^^^

дохранительного целика стволов ВЗС и ВСС рудника «Октябрьский», которая показала его эффективность.

Без разделения породных слоев на блоки значения наклонов в области сдвижения породного массива в районе ствола (рис. 5) превышали критическое значение, которое составляет 4х10'3. После разделения породного слоя на блоки значения наклонов существенно снизились и не превышали критическое значение.

Исследования

влияния искусственных целиков из твердеющего материала, возводимых в районе ствола, на характер деформаций около-сгеальнош массива показали существенную зависимость между деформированием околоствольного массива и прочностью твердеющего материала искусственного целика. При возведении в районе ствола искусственного целика из твердеющего материала (рис. 6) с нормативной прочностью 2 МПа отно-

15

10

з: § *

V) о

40 л

а » О

2 % -5 * §

3 'О 2.

-15

юл

-у - 6,18

/ ^ \ 0,8 ,11 \ 0.1 . А1

Ц—- -/,2 2' \ А7~Т ~ 0.3

-12,у \ 14.7

-20

О 20 40 60 80

Протяженность линии реперов геометрического нивелирования, м

Рисунок 5 - Распределение величин наклонов в области сдвижения породного массива 1,2-до и после разделения породного слоя на блоки

сительные деформации растяжения изменялись от 3 до 6 х 10", что в три раза превышает критическое значение, составляющее для горных пород 2*10"3. С повышением прочности твердеющего материала величины относительных деформаций снижаются и при возведении искусственных целиков из твердеющего материала с нормативной прочностью 10 МПа не превышают критическое значение.

Как было показано выше, сокращение площади околоствольного предохранительного целика сопровождается его уплотнением и повышением уровня напряженности, не исключающим

вероятность проявления горного давления в динамической форме. В этой связи были проведены исследования по изысканию эффективных способов разгрузки рудного массива околоствольного предохранительного целика от опасных напряжений. Экспериментальные исследования, проведенные на глубоких рудниках Талнаха, показали, что бурение в околоствольном предохранительном целике разгрузочных скважин с шагом бурения не более 1,4 м приводит к разуплотнению

рудного массива целика и снижению напряжений до безопасных значений. После бурения разгрузочных скважин экспериментальное распределение величин напряжений в околоствольном предохранительном целике приближается к нормальному закону, что свидетельствует об аддитивном характере влияния дополнительной податливости на напряженное состояние как отдельных участков предохранительного целика, так и всего целика и отсутствии контрастных напряженных зон.

Проведенные исследования позволили разработать следующие рекомендации для отработки околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха.

Для отработки околоствольного предохранительного целика ствола предлагается использовать две технологические схемы: от ствола по направлению к границам целика и от границ целика по направлению на ствол. Первую схему отработки рекомендуется применять преимущественно при выемке запасов руд околоствольных предохранительных целиков, сформированных участками руд-

Пролет отработки околоствольного гредахратипелъного целика, м

Рисунок 6 -Деформирование околоствольного массива при отработке предохранительного целика с возведением искусственных целиков 1,2, 3- при величине нормативной прочности искусственного целика2,6 и 10МПа

ной залежи малой мощности. При этом, независимо от выбора технологической схемы отработки предохранительного целика, для сохранения горизонтов ствола выемку запасов руд околоствольного предохранительного целика необходимо вести с возведением в районе ствола искусственного целика шириной не менее 40 м из твердеющей закладки с нормативной прочностью не менее 10 МПа.

При достижении соотношения отработанной площади предохранительного целика к его общей площади более 0,2 отработку оставшейся части целика необходимо вести с разделением породного массива на искусственные блоки путем формирования отрезных щелей с помощью камуфлетного взрывания зарядов ВВ или бурения ряда скважин диаметром не менее 130 мм с шагом бурения не более 0,4 м. Отработку околоствольных предохранительных целиков, расположенных на глубине ниже 700 м необходимо вести с формированием защищенной зоны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится новое решение задачи, связанной с оценкой сдвижения земной поверхности и напряженно-деформированного состояния околоствольного массива и предохранительного целика, которое имеет существенное значение при разработке регламентов отработки околоствольных предохранительных целиков рудных месторождений, отнесенных к склонным и опасным по горным ударам.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1) установлены закономерности изменения характера сдвижения подработанного массива вблизи тектонических нарушений, заключающие в развороте мульды сдвижения и изменении условия выхода сдвижения на земную поверхность;

2) доказано, что при соотношении отработанной площади предохранительного целика к его общей площади более 0,2, околоствольный массив и предохранительный целик деформируются в запредельном режиме с появлением опасных напряжений и деформаций;

3) разработаны рекомендации по выбору порядка и способов отработки околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха с погашением и сохранением эксплуатационного состояния шахтных стволов;

4) разработаны параметры технологических схем управления процессом сдвижения массива горных пород с применением высокопрочной твердеющей закладки и разгрузочных скважин при выемке околоствольных предохранительных целиков на удароопасных участках рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений;

5) получен экономический эффект от внедрения рекомендаций на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» в размере 679 миллионов рублей в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Карелин В.Н. Перспективы и особенности развития добычи богатых руд на больших глубинах в условиях рудника «Таймырский» // Цветные металлы. 2007. № 7. С. 5-8.

2. Карелин В.Н. Инновационные решения в области управления производством на руднике «Таймырский» // Цветные металлы. 2007. № 4. С. 44-46.

3. Карелин В.Н. Управление напряженно-деформированным состоянием блочной структуры разделительных массивов в сложных горно-геологических и горно-технических условиях рудников Талнаха / В.А. Звездкин, В.Н. Карелин, А.Г. Анохин, Ю.Н. Наговицин // Записки Горного института. Том 190. СПб, 2011. С. 263-266.

4. Карелин В.Н. Обеспечение безопасных условий отработки околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха / В.А. Звездкин, В.Н. Карелин, А.Г. Анохин // Записки Горного института. Том 190. СПб, 2011. С. 101-104.

5. Карелин В.Н. Исследование геомеханического состояния рудопородного массива в поле рудника «Скалистый» / В.Н.Карелин, В.П. Марысюк, Ю.Н. Наговицин, В.Б. Вильчин-ский, В.А. Звездкин // Горный журнал. 2010. № 6. С. 63-65.

РИД СПГГУ. 09.12.2011. 3.699 Т. I ООэкз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Карелин, Владимир Николаевич, Санкт-Петербург

61 12-5/1538

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ БЕЗОПАСНЫХ СПОСОБОВ ОТРАБОТКИ ОКОЛОСТВОЛЬНЫХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ ЦЕЛИКОВ ГЛУБОКИХ РУДНИКОВ

ТАЛНАХА

Специальность 25.00.20 -Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Научный руководитель: доктор технических наук А.Н. Шабаров

Санкт-Петербург 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение............................................................................................................ 4

Глава 1- Состояние изученности вопроса........................................ 10

1.1 Геолого-структурные и горнотехнические особенности Талнахского рудного узла.................................................................................... 10

1.2 Современные представления процесса сдвижения пород при подземной разработке месторождений................................................. 16

1.3 Анализ представлений деформационного состояния подработанного

24

массива горных пород......................................................................................

1.4 Анализ существующих мер защиты крепи ствола................................ 29

1.5 Анализ существующих способов отработки околоствольных предохранительных целиков.......................................................................

1.6 Актуальность проблемы и задачи исследований.................................... 58

Глава 2 - Методы исследований..................................................................... 62

Глава 3- Закономерности сдвижения земной при отработке глубоких рудников Талнахского рудного узла............................................................. 67

3.1 Особенности тектонического строения Талнахского рудного узла........................................................................................................................ 67

3.2 Закономерности сдвижения земной поверхности, подработанной очистными работами Талнахского рудного узла..................................... 70

Глава 4-Геомеханическое обоснование рекомендации по отработке околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Тална-

ха.................................................................................................................... 81

4.1 Закономерности сдвижения породного массива при отработке око-

0 1

лоствольного предохранительного целика....................................................

4.2 Закономерности деформирования околоствольного массива при отработке околоствольного предохранительного целика......................... 114

4.3 Закономерности формирования напряженного состояния рудного массива при отработке околоствольного предохранительного целика....

4.4 Закономерности деформирования породного массива при управлении кровлей искусственными целиками из высокопрочной твердеющей закладки................................................................................................... ^

4.5 Рекомендации по отработке околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха............................................................ 149

Заключение............................................................................... 153

Библиографический список............................................................................ I54

Приложение 1-Справка о внедрении рекомендаций по безопасной и эффективной отработке околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха...........................................................................

Приложение 2-Расчет фактического экономического эффекта с 1996 по 2010год от внедрения результатов диссертационной работы Карелина В.Н. «Геомеханическое обоснование безопасных способов отработки околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха.................................................................................................................... 166

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Одним из путей решения проблемы рационального использования природных ресурсов и наиболее полного извлечения их из недр является расконсервация запасов, сосредоточенных в околоствольных предохранительных целиках. Это связано с тем, что выемка запасов из предохранительных целиков экономически более выгодна, чем освоение новых участков месторождений. Кроме того, действующий закон об охране недр требует как можно более полной выемки полезного ископаемого.

Вопрос выемки предохранительных целиков представляет собой решение сложной геомеханической и горнотехнической задачи. Сложность ее решения заключается в том, что оно связано не только с обоснованием технологических параметров ведения горных работ в сокращающемся в плане целике, но и с решением вопроса охраны объектов различной категории, а также контроля и управления процессом сдвижения земной поверхности и массива горных пород. При этом решение горнотехнической задачи усложняется при условии сохранения эксплуатационного состояния ствола или его отдельных горизонтов.

Сдвижение земной поверхности и массива горных пород при отработке рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений приводит к образованию в околоствольном массиве и предохранительных и околоствольных целиках зон повышенных напряжений, снижающих их прочность. Попутное вовлечение в добычу запасов руд, сосредоточенных в околоствольном предохранительном целике, усугубляет этот процесс. При этом участки стволов и капитальные выработки околоствольного двора, как правило, выходят из эксплуатационного состояния и требуют ремонтно-восстановительных работ, которые, особенно в стволах, ведутся в опасных условиях и требуют значительных материальных и трудовых затрат. Это негативно влияет на технико-экономические показатели работы глубоких рудников Талнаха, основных

предприятий ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель по добыче редких полиметаллических руд.

Таким образом, на глубоких рудниках Талнаха сформировались особо сложные условия отработки околоствольных предохранительных целиков, что и определило актуальность настоящей работы.

Исследованию напряженно-деформированного состояния горного массива, попадающего в зону влияния горных работ, посвящены работы ученых С. Г. Авершина, А.Г. Акимова, Б.П. Бадтиева, Н.С. Булычева, Ф.Н. Воскобоева, И.Е. Долгих, В.А. Звездкина, В.Н. Земисова, Г.Н. Кузнецова, A.M. Козела, A.M. Линькова, М.Г. Мустафина, И.М. Петухова, А.Г. Протосени, М.А. Розенбаума, А.П. Тапсиева, А.Н. Шабарова и многих других.

В этих работах отражены важнейшие положения механики горных пород и массивов, составляющих основу ее современного состояния.

Тем не менее, геомеханическое состояние массива горных пород при отработке околоствольных предохранительных целиков недостаточно изучено, особенно на рудных месторождениях, отнесенных к склонным и опасным по горным ударам. По-прежнему ведущую роль при разработке регламентов и проектов отработки околоствольных предохранительных целиков на рудных месторождениях используют закономерности формирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород и опыт отработки околоствольных предохранительных целиков, полученные при разработке угольных месторождений.

Поэтому основной темой работы стал анализ реакций рудопородного массива, крепи стволов и капитальных выработок околоствольного двора на повышенные деформации и напряжения, вызванные сдвижением подработанного массива, для разработки на этой основе рекомендаций по безопасной и эффективной отработке околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха.

Цель работы - геомеханическое обоснование и разработка рекомендаций, обеспечивающих безопасную отработку околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха.

Идея работы - для повышения безопасности и эффективности отработки околоствольных предохранительных целиков необходимо применять рациональный порядок ведения очистных работ, разупрочнение труднообрушаемых горных пород и перераспределение давления сдвигающейся толщи горных пород на рудный и закладочный массивы, которые позволят исключить вероятность появления опасных напряжений и деформаций.

Задачи исследований:

1) установить закономерности процесса сдвижения и деформирования земной поверхности и породной толщи при выемке околоствольных предохранительных целиков с учетом геолого-структурных и горнотехнических особенностей глубоких рудников Талнаха;

2) установить особенности формирования напряженно-деформированного состояния рудопородного массива при развитии очистных работ в околоствольных предохранительных целиках;

3) разработать рекомендации по безопасной и эффективной отработке околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха с погашением или сохранением эксплуатационного состояния стволов.

Методы исследований.

Методы исследований включают анализ и обобщение сведений, содержащихся в литературных и фондовых источниках, натурные наблюдения процессов сдвижения и напряженно-деформированного состояния массива горных пород, шахтные эксперименты в условиях отработки околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха и аналитическую обработку полученных результатов исследований.

Научная новизна работы:

1) установлены закономерности разворота мульды сдвижения земной поверхности вблизи тектонических нарушений с изменением отношения пролета отработки к средней глубине разработки рудной залежи, характеризующего условия выхода сдвижения на земную поверхность;

2) доказано, что при соотношении отработанной площади околоствольного предохранительного целика к его общей площади более 0,2, околоствольный массив и предохранительный целик деформируются в запредельном режиме с появлением опасных напряжений и деформаций.

Основные защищаемые положения:

1) развитие очистных работ глубоких рудников Талнаха вызывает ранний выход сдвижения на земную поверхность, а профиль мульды оседания земной поверхности характеризуется резкими перегибами в местах выхода крупных тектонических нарушений и разворотом в сторону простирания плоскостей сместителя этих нарушений;

2) при отработке околоствольных предохранительных целиков нависающий над ними блочный массив можно рассматривать как квазислоистый массив, имеющий фиксированный предел прочности, при превышении которого в процессе выемки целика и прогиба кровли происходит резкое нарастание горизонтальных и особенно вертикальных деформаций;

3) для разработки безопасных и эффективных способов отработки околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха необходимо использовать формирование в закладочном массиве искусственных целиков из твердеющего материала с нормативной прочностью не менее ЮМПа и разгрузку околоствольного массива и рудного целика за счет создания отрезных щелей с помощью бурения скважин или камуфлетного взрывания.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается большим объемом шахтных исследований, применением современных методов обработки экспериментальных данных и анализа геомеханического состояния массива горных пород при отработке околоствольных

предохранительных целиков, а также положительными результатами промышленного внедрения рекомендаций по их отработке на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».

Практическое значение работы:

- разработаны рекомендации по выбору порядка и способов отработки околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха с погашением или с сохранением шахтных стволов;

- разработаны параметры технологических схем управления процессом сдвижения массива горных пород с применением высокопрочной твердеющей закладки и разгрузочных скважин при выемке околоствольных предохранительных целиков на удароопасных участках рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений.

Реализация работы. Разработанные рекомендации по выбору порядка и способов отработки околоствольных предохранительных целиков положены в основу согласованных с Ростехнадзором РФ «Указаний по безопасному ведению горных работ на Талнахском и Октябрьском месторождениях, склонных и опасных по горным ударам» и применяются:

- проектными организациями «ООО Институт «Гипроникель» при разработке регламентов вскрытия рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений и отработке околоствольных предохранительных целиков глубоких рудников Талнаха;

- рудниками ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» при разработке профилактических мероприятий, обеспечивающих безопасные условия отработки околоствольных предохранительных целиков на удароопасных участках рудных залежей.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались: на международной конференции «Инновационные направления в проектировании горнодобывающих предприятий» (Санкт-Петербург, 2010), на международной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук»

(Новосибирск, 2004 г.), на горной секции Горно-геологического управления ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» (г. Норильск, 2005-2010 гг.), на научно-техническом совете Научного центра геомеханики и проблем горного производства Санкт-Петербургского государственного горного университета, (Санкт-Петербург, 2003-2011 гг.).

Личный вклад автора заключается: в постановке цели, задач и разработке методики исследований; в личном участии в организации и проведении экспериментальных работ на рудниках «Октябрьский» и «Таймырский»; в исследованиях процессов сдвижения земной поверхности и породного массива и напряженно-деформированного состояния околоствольных предохранительных целиков и крепи стволов; в анализе результатов наблюдений, выводе основных научных результатов, в разработке и внедрении рекомендаций по отработке околоствольных предохранительных целиков на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».

Публикации: Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 научных трудах (все в изданиях, рекомендованных ВАК Минобр-науки России).

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 170 страниц текста, 71 рисунок, библиографический список из 111 наименований, 1 таблицу и 2 приложения на 5 страницах.

Автор искренне благодарен, к.т.н. В.А. Звездкину В.А., к.гм.н. Ю.Г. Ко-былянскому, д.т.н. М.А. Розенбауму, д.т.н. А.Н. Шабарову, д.т.н. С.Н. Цирелю за внимание и ценные советы при подготовке и написании диссертационной работы.

ГЛАВА 1 - СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА

1.1 Геолого-структурные и горнотехнические особенности Тал нахского рудного узла

Талнахский рудный узел представлен двумя пространственно сближенными месторождениями, которые ассоциируются с дифференцируемыми массивами и объединены общим названием Талнахская интрузия.

Талнахская интрузия расположена в северо-западной части Сибирской платформы и характеризуется переходным геолого-тектоническим режимом от платформенного к геосинклинальному. С запада Талнахская интрузия ограничена Норильско-Хараелахским, а с востока Имангадинским глубинными разломами.

Талнахская интрузия локализуется на периферии Хараелахской трановой мульды, в области ее южного центроклинального замыкания. Зона перехода отрицательной структуры (Хараелахской впадины) в валообразное поднятие (Хантайско-Рыбинский вал) представляет собой флексообразную структуру и является основным фактором, определившим тектоническую позицию Талнах-ского рудного узла.

Главным структурным элементом Талнахского рудного узла является значительная по размерам зона Норильско-Хараелахского разлома, которая в пределах Талнахского и Октябрьского месторождений проявляется серией сбросово-сдвиговых дислокаций дорудного и послерудного времени и определяет в целом весьма сложную современную структуру рудного поля.

Основная зона Норильско-Хараелахского разлома представляет собой грабенно-подобную структуру, включающую ряд субпараллельных швов с углами падения от 40° до 85°. К наиболее крупным можно отнести восточное нарушение, именуемое Главным швом. Серия нарушений, расположенных к западу от Главного шва, характеризуется более пологими углами. Амплитуды смещений вдоль тектонических зон колеблются от 40 до 400 м.

Главной особенностью строения Талнахского рудного узла [1,2] является специфическое проявление тектонических деформаций на горизонтах, сложенных толщей базальтов и осадочных пород. Основные тектонические деформации в этой толще проявляются в виде боковых перемещений вдоль трещин, имеющих форму изогнутых поверхностей.

Формирование большой части интрузивных и рудных тел, судя по вторичным изменениям (метаморфизм) и морфологии, происходило в условиях растяжения, что предопределило значительную нарушенность интрузивных и рудных тел.

Основу рудной базы ЗФ ОАО «Горно-металлургическая компания «Норильский никель» составляют медно-никелевые сульфидные руды, связанные с дифференцированными интрузивами габбро-долеритов. В Талнахском рудном узле выделяется два крупных месторо