Геомеханическое обоснование способов обеспечения устойчивости выработок при проходке в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массиву

Синегубов, Вячеслав Юрьевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Геомеханическое обоснование способов обеспечения устойчивости выработок при проходке в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массиву
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Геомеханическое обоснование способов обеспечения устойчивости выработок при проходке в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массиву"

На правах рукописи

СИНЕГУБОВ Вячеслав Юрьевич

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ВЫРАБОТОК ПРИ ПРОХОДКЕ В РЫХЛЫХ РУДАХ ВПРИСЕЧКУ К ЗАКЛАДОЧНОМУ МАССИВУ

Специальность 25.00.20 -Геомеханика, разрушение горных

пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 м*.? 2012

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

005013196

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

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор_

Огородников Юрий Никифорович доктор технических наук, профессор

Протосеня Анатолий Григорьевич

Официальные оппоненты:

Ковалев Олег Владимирович доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный горный университет, профессор кафедры разработки месторождений полезных ископаемых

Вильчинский Владислав Борисович кандидат технических наук, ООО «Институт Гипроникель», заведующий горной лабораторией

Ведущее предприятие - ООО «СПб-Гипрошахт».

Защита состоится апреля 2012 г. в 15 ч 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 /I марта 2012 г.

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

Актуальность работы

Основные технологические сложности при строительстве Яковлевского рудника связаны с уникальным геологическим строением глубокозалегающего месторождения богатых руд КМА. Сложные гидрогеологические условия Яковлевского месторождения обусловлены наличием в разрезе покрывающих пород девяти водоносных горизонтов, которые имеют значительные водообильности и высокие напоры. Необходимость сохранения водозащитных свойств покрывающей выработанное пространство рудной и породной толщи определяет высокие требования к ведению подготовительных и очистных (закладочных) работ.

Строительство искусственного перекрытия над участком первоочередной выемки богатых руд Яковлевского месторождения позволяет ускорить введение в эксплуатацию рудника и открывает перспективы создания аналогичных схем разработки для других предприятий по добыче богатых железных руд, запасы которых сосредоточены в Белгородской области.

Принятая на руднике слоевая система разработки с твердеющей закладкой в нисходящем порядке под защитным перекрытием, требует оценки напряженно-деформированного состояния вмещающего массива для обеспечения устойчивости очистных выработок.

Значительный вклад в исследование процесса деформирования и разрушения пород вокруг горных выработок, а также определения параметров напряженно-деформированного состояния в целиках между выработками внесли: К.А. Ардашев, И.В. Баклашов, Н.С. Булычев, И.Е. Долгий, Б.А. Картозия, М.В. Карнилков, О.В. Ковалев, A.A. Козырев, К.П. Безродный, П.М. Цимбаревич, К.В. Руппенейт, Ф.П. Бублик, B.C. Сажин, Ю.Н. Огородников,

A.Г. Протосеня, О.В. Тимофеев, B.JI. Трушко, H.H. Фотиева,

B.М. Шик и другие.

бетоном (недозакпад). При проходке выработок вприсечку к закладочному бетону сказывается несоответствие этих технологий состоянию рудного массива.

Проходка выработок защитного перекрытия в рыхлых рудах Яковлевского месторождения вприсечку к закладочному массиву сопряжена с опасностью обрушения руды с боков и кровли. Геомеханическое обоснование конструкций и параметров крепи выработок, обеспечивающих безопасность и качество работ при строительстве защитного перекрытия, является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы: обеспечение устойчивости выработок при проходке в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массиву.

Идея работы: рациональные конструкции и параметры крепи выработок при проходке в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массиву должны выбираться на основе прогноза их устойчивости, базирующегося на результатах натурных исследований и математического моделирования, с учетом характера передачи нагрузки от вышележащей толщи на закладочный массив.

Основные задачи исследования:

• проведение натурных наблюдений за устойчивостью массива вокруг выработок при проходке в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массиву;

• разработка конечно-элементных моделей, имитирующих проходку и закладку выработок, проводимых вприсечку к закладочному массиву;

• определение параметров напряженно-деформированного состояния вмещающего рудного массива вокруг выработок, проводимых вприсечку к закладочному массиву;

• выбор оптимальных конструкций и параметров крепи выработок при проходке в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массиву;

• разработка рекомендаций по креплению и проходке выработок при проходке вприсечку к закладочному массиву.

Методы исследований.

Использовалась комплексная методика исследований, включающая:

- натурные наблюдения за проявлением горного давления в выработках, пройденных вприсечку к закладочному массиву;

- численное моделирование процессов деформирования рудного массива при проходке выработок вприсечку к закладочному массиву, с использованием программного комплекса БилиНа Abaqus;

- испытания в шахтных условиях рекомендуемых типов крепи.

Научная новизна работы:

На базе шахтных исследований и численного моделирования установлены:

- зависимость размеров и конфигураций зон разрушения рудного массива в кровле и боках выработок при проходке вприсечку к закладочному массиву от деформационно-прочностных свойств рудного массива, порядка проходки, качества оконтуривания и не-дозаклада выработок;

- закономерности изменения величины воспринимаемой закладочным массивом нагрузки от вышележащей толщи руд и пород при различных деформационно-прочностных свойствах рудного массива.

Защищаемые положения:

- в рыхлых рудах в краевой части присечки выявлен эффект раздавливания массива, характеризующийся образованием зоны предельного состояния и формированием горизонтальных смещений, причем с проходкой второй и третьей выработок изменение параметров напряженно-деформированного состояния в присечке не превышает 20 и 10% соответственно;

- при недозакладе выработок бетоном величина воспринимаемой закладочным массивом нагрузки от вышележащей толщи руд и пород определяется устойчивостью угловых целиков между смежными выработками;

- устойчивость присечных выработок должна оцениваться комплексным критерием напряженности Пв, учитывающим величину недозаклада, порядок проходки и деформационно-прочностные свойства вмещающего массива.

Практическая значимость работы:

- обоснованы рациональные конструкции и параметры крепи выработок, пройденных вприсечку к закладочному массиву, для

различных типов руд Яковлевского месторождения;

- разработан способ дозакладки пустот в кровле очистных заходок при отработке верхнего слоя с закладкой (патент на изобретение №2435964 опубликовано: 10.12.2012 г.);

- разработан способ повышения устойчивости потолочины при слоевой разработке залежи в нисходящем порядке с закладкой (заявка на изобретение № 2010147581/03(068728) от 22.11.2010 г, решение о выдаче патента от 2 декабря 2011 г);

-разработан способ опережающего крепления кровли при выемке целика между бетонной закладкой (заявка на изобретение № 2010142821/03(061543) от 19.10.2010 г, решение о выдаче патента от

21 июня 2011 г).

Достоверность и обоснованность научных положении _и_ рекомендаций подтверждается значительным объемом натурных наблюдений за состоянием крепи и деформациями породного контура выработок в различных горнотехнических условиях, исследованием прочности закрепления анкеров, моделированием напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок методом конечных элементов, а также испытанием рекомендованных конструкций и параметров крепи в присечных выработках на производстве.

Апробадия диссертации. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференции молодых ученых в Краковской горнометаллургической академии (2010 г.); ежегодных конференциях молодых ученых и студентов в 2010-2011 г. (СПГГУ, Санкт-Петербург); на международном форуме молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2010 г.).

Личный вклад автопа заключается: в постановке задач исследований, в сборе данных по объекту исследования и обзоре научной литературы, проведении натурных исследований, обработке и анализе полученных данных, создании конечно-элементных моделей для исследования особенностей формирования областей предельного состояния вокруг выработок, проводимых вприсечку к закладочному массиву, выполнении численных экспериментов и разработке практических рекомендаций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 4 работы в изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России, получен один патент на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 198 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 97 наименований, 66 рисунков и 27 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В главе 1 выполнен анализ опыта освоения месторождений в сложных горно-геологических условиях, исследованы физико-механические свойства руд и пород и горно-геологическая характеристика Яковлевского месторождения, проведен анализ методов изучения напряженно-деформированного состояния рудного массива вокруг выработок, а также изучен опыт Яковлевского рудника в обеспечении устойчивости выработок, проводимых вприсечку к закладочному массиву. Сформулированы цель и задачи исследований.

В главе 2 приведена методика и результаты комплексного натурного наблюдения за состоянием устойчивости выработок, проводимых в разных горно-технических условиях вприсечку к закладочному массиву.

В главе 3 представлены результаты численного моделирования напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок, проводимых вприсечку к закладочному массиву.

В главе 4 даны рекомендации по выбору рациональных типов и параметров крепи. Обоснован критерий напряженности Пв, позволяющий оценить устойчивость рудных обнажений в присечке, обоснована и проверена на практике методика расчета параметров анкерной крепи для очистных заходок верхнего слоя.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. В рыхлых рудах в краевой части присечки выявлен эффект раздавливания массива, характеризующийся образованием зоны предельного состояния и формированием горизонтальных смещений, причем с проходкой второй и третьей выработок изменение параметров напряженно-деформированного состояния в присечке не превышает 20 и 10% соответственно.

проходка выработок

Для оценки напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок, проводимых в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массиву, в программном комплексе вилиНа АЬаци э создана пространственная конечно-элементная модель.

Модель представлена трехмерным участком рудного массива размером 100x100x40 м с восьмью выработками арочного сечения (8СВ= 17,98 м2), заложенными бетоном с недозакладом величиной 40 см (рис.1). Проходка выработок имитируется в четыре этапа заход-ками по два метра и пятым этапом на всю длину. Вмещающий рудный массив представлен нелинейно-деформируемой изотропной средой. Для реализации нелиней- IV ного характера деформирования ** массива использована упруго-пластическая модель Кулона-Мора. Расчетные деформационно-прочностные характеристики рыхлых железнослюдково-мартитовых руд в естественном состоянии приняты следующие: модуль деформации 1300 МПа; коэффициент Пуассона 0,26, угол внутреннего трения 28° и сцепление 0,4 МПа. Расчетные деформационно-прочностные характеристики были скорректированы сравнением полученных на модели величин смещений контура выработок и размеров зон предельного состояния с результатами натурных наблюдений за деформациями массива вокруг горной выработки. Естественное напряженно-деформированное состояние массива моделировалось равномерно-распределенной нагрузкой 10 МПа, приложенной к верхней грани модели, и собственным удельным весом пород 0,0341 МН/м3.

Моделирование проводилось поэтапно: имитация проходки одиночной выработки с четырьмя положениями забоя, затем второй

бетон

Рис. 1. Конечно-элементная модель рудного массива с тремя выработками

и третьей выработки с таким же количеством положений забоя. Так же моделировалась проходка трех выработок через разделительный целик шириной в пролет выработки. На каждом из этапов исследовалось напряженно-деформированное состояние массива в зоне при-сечки, в которой в дальнейшем будет пройдена выработка.

В массиве рыхлых руд в зоне присечки у контура пройденной выработки имеет место эффект раздавливания краевой части, выражающийся в образовании зоны предельного состояния. Эта зона характеризуется пониженными напряжениями по всем направлениям, горизонтальными смещениями массива, направленными в пройденную выработку, и возникновением пластических деформаций, свидетельствующих о возможном разрушении рудного массива. Рыхлая руда с низкими пределами прочности уже при малых деформациях перейдет в состояние, близкое к сыпучему и отслоится от массива вмещающих пород за пределами зоны предельного состояния.

На рисунке 2 представлены графики горизонтальных смещений и контуры зон пластических деформаций в присечке при последовательной проходке трех выработок.

Зависимость основных параметров напряженно-деформированного состояния массива в присечной зоне от ширины подработанного пространства приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Параметры напряженно-деформированного состояния _массива в присечной зоне _

Количество пройденных выработок Ширина зоны пластических деформаций, м Коэффициент концентрации вертикальных напряжений за пределами зоны предельного состояния Наибольшие горизонтальные смещения, мм

1 1 1,8 26

2 1,17 1,95 32

3 1,25 2,05 35

Из таблицы 1 и рисунка 2 видно, что параметры напряженно-деформированного состояния возрастают с увеличением ширины подработанного пространства, причем интенсивность их увеличения уменьшается с проходкой 3-й выработки.

2,5

Рис. 2. Изменение параметров напряженно-деформированного состояния массива в зоне отжима в зависимости от ширины подработанного пространства. 1,2,3 - эпюры распределения зоны пластических деформаций после проходки соответствующего количества выработок; I, II, III - графики распределения вертикальных напряжений и горизонтальных поперечных смещений после проходки соответствующего количества выработок.

Зона горизонтальных смещений распространяется вглубь рудного целика на 3,5 м, вне зависимости от ширины подработки. После проходки трех выработок изменения рассматриваемых пара-

метров менее 10%, то есть проходка всех последующих выработок будет вестись в схожих условиях.

Натурные наблюдения и численное моделирование показали, что устойчивость выработок, проводимых вприсечку, необходимо прогнозировать, анализируя устойчивость массива при проходке смежных выработок. Необходимо организовать мониторинг с составлением анкет состояния выработок. Эти наблюдения позволят выявить наиболее опасные участки с точки зрения возможности возникновения аварийных ситуаций.

2. При недозакладе выработок бетоном величина воспринимаемой закладочным массивом нагрузки от вышележащей толщи руд и пород определяется устойчивостью угловых целиков между смежными выработками.

Устойчивость рудной толщи над закладочным массивом зависит от характера передачи нагрузки на закладку. При недозакладе и переборах руды сверх проектного контура, целики в угловых секторах между смежными заходками играют роль промежуточных опор, передающих нагрузку от вышележащей толщи руд и пород на закладочный массив защитного перекрытия.

Натурные наблюдения показали:

- угловые целики между смежными заходками в рыхлых же-лезнослюдково-мартитовых рудах, разрушаются практически полностью;

- угловые целики между смежными заходками в плотных и карбонатизированных рудах не разрушаются и передают нагрузку от потолочины на закладочный массив;

- угловые целики между смежными заходками в железнос-людково-мартитовых ру дах ср едней плотности и хлоратизирован-ных гидрогематитовых рудах частично разрушаются и передают нагрузки на закладочный массив не полностью.

Численное моделирование позволило выявить физическую сущность выявленных в ходе натурных наблюдений закономерностей и систематизировать их. Для этого вмещающий рудный массив в пространственной конечно-элементной модели был представлен наиболее представительными типами руд, деформационно-прочностные характеристики которых получены специалистами геологической службы Яковлевского рудника и ВИОГЕМ (табл. 2).

Деформационно-прочностные характеристики

~~ га «1 ® . га

Таблица 2.

Название руды

Железно-слюдково-мартитовая:

Гидрогема-титовая:

рыхлая

средней плотности

плотная

хлоратизированная

карбонатизированная

_ га £ Е Ь

о -& =

1300

1920

2230

1920

2420

■ж. §

•в" о

СП у

о га ¡2 >• С

0,26

0,24

0,25

0,24

в 3 х

I м2

I ш

0,0341

0,0348

0,0358

0,0334

0,0346

0,4

1,4

5,8

Основным показателем способности передачи нагрузки угловым целиком является его устойчивость. Устойчивость оценивается величиной и интенсивностью зон пластических деформаций. На рисунке 4 представлены границы зон пластических деформаций в угловом целике. Зоны пластических деформаций представительных типов руд в угловых целиках с различными деформационно-прочностных свойствами дают объективную картину способности углового целика к передаче нагрузки от рудной толщи на закладочный массив.

Рис. 4. Конфигурации зон пластических деформаций в угловом целике между смежными заходками.

1,2,3,4, 5 границы зоны пластических деформаций рыхлых, средней плотности и плотных железнослюдково-мартитовых, хлоратизированных и карбонатизированных гидрогематитовых руд соответственно.

Как следует из рисунка 4 в рыхлых железнослюдково-мартитовых и хлоратизированных гидрогематитовых рудах целик на контакте с бетоном находится в зоне пластических деформаций и будет разрушен. Значительную нагрузку целики из таких руд передать не смогут, потолочина будет нависать над закладкой. Желез-нослюдково-мартитовые руды средней плотности также склонны к разрушению в большей части контакта углового целика с закладочным массивом, а, следовательно, передают незначительную нагрузку от вышележащей толщи.

Зона пластических деформаций в плотных железнослюдко-во-мартитовых и карбонатизированных гидрогематитовых рудах не распространяется от пяты свода больше 0,4-0,5 м, в поперечном сечении имеет незначительную ширину, а так же обладает значительно меньшей интенсивностью проявлений. Большая часть углового целика между смежными заходками имеет контакт с закладкой и, следовательно, передает на него нагрузку от вышележащей толщи руд и пород.

В шахтных условиях способность углового целика передавать на закладочный массив нагрузку оценивалась также по разрушению бетона на контуре закладки. Если бетон на контуре под целиком частично разрушается, а угловой целик не разрушается, то нагрузка от вышележащей толщи передается на закладочный массив.

Устойчивость боков выработок определяется величиной тангенциальных напряжений. При передаче нагрузки на закладочный массив разрушение бетона на контуре заложенной выработки связано с повышенными вертикальными напряжениями (для бока выработки они являются тангенциальными). Натурными наблюдениями выявлены разрушения вертикальных граней бетона закладочного массива на глубину до 30 см.

На рисунке 5 показаны направления,' по которым снимались вертикальные напряжения. Напряжения оценивались на контакте бетона смежных выработок и в сечении на расстоянии 0,3 м от него.

На рисунке 6 представлены графики изменения вертикальных напряжений по направлениям, показанным на рисунке 5.

Конфигурации графиков по соответствующим направлениям совпадают. Значения вертикальных напряжений для разных типов руд различаются. Концентрация вертикальных напряжений в закладочном массиве на рисунке 6а для плотных же-лезнослюдково-мартитовых и карбо-натизированных гидрогематитовых руд на 190-200% выше, чем у рыхлых железнослюдково-мартитовых и на 90110% выше, чем у железнослюдково-мартитовых средней плотности и хло-ратизированной гидрогематитовых РУД-

оценки вертикальных напряжений.

1 - по контакту бетона двух смежных выработок, 2 - на расстоянии 0,3 м от сечения 1.

о 0.3 0.6 0.9 1,2 15 и

Расстояние по сечению 1, показанному на рисунке 5, м

б)

2 „

4' \

- ** ~ 1., •** "*

—~ —-!- ~ - -т

0,5 1 1,5 2 2.5 Расстояние по сечению 2, показанному на рисунке 5, м

Рис. 6. Графики изменения вертикальных напряжений по направлениям, показанным на рисунке 5.

1,1'; 2,2'; 3,3' - рыхлая, средней плотности и плотная железнослюдково-мартитовая руда соответственно; 4,4' - хлоратизированная гидрогематитовая руда; 5, 5' - карбонатизиро-ванная гидрогематитовая руда.

Аналогичная тенденция имеет место и в сечении на расстоянии 0,3 м от контакта бетона смежных выработок (рис. 66). Коэффициент концентрации вертикальных напряжений в закладочном массиве для плотных и карбонатизированных руд на 110-120%, чем у

Рис. 5. Сечения для

бетон

рыхлых и на 20-30% выше, чем у средней плотности и хлоратизиро-ванных руд.

Исследования зависимости напряженно-деформированное состояние рудного и закладочного массивов от деформационно-прочностных свойств руды позволяет заключить следующее:

- разрушение угловых целиков в рыхлых железнослюдково-мартитовых, а также частичное разрушение железнослюдково-мартитовых рудах средней плотности и хлоратизированных гидро-гематитовых рудах обусловлено возникновением пластических деформаций;

- выявленные натурными исследованиями разрушения бетона на контуре закладочного массива вызвано повышенными вертикальными напряжениями в закладке при плотных железнослюдково-мартитовых и карбонатизированных гидрогематитовых рудах;

- вертикальные напряжения в закладочном массиве подтвердили обнаруженный в ходе шахтных наблюдений характер передачи нагрузки на закладочный массив через угловой целик между смежными заходками зависящим от деформационно-прочностных свойств рудного массива.

3. Устойчивость присечных выработок должна оцениваться комплексным критерием напряженности П„ учитывающим величину недозаклада, порядок проходки и деформационно-прочностные свойства вмещающего массива.

Критерий устойчивости выработок на руднике определяют по формуле (1), предложенной специалистами СГПТУ, без учета влияния смежных выработок на выработку, проводимую вприсечку к закладочному массиву:

П = аК\К2 (п

где а - статическое вертикальное напряжение в нетронутом горными работами массиве в месте расположения выработки, МПа; К\ -коэффициент концентрации напряжений вследствие проведения выработки; Я - среднее значение сопротивления пород в образце одно-

осному сжатию, МПа; Кс - коэффициент структурного ослабления массива; Кг - коэффициент изменения напряжений в результате влияния других выработок; - коэффициент, учитывающий снижение сопротивления руды вследствие водонасыщения.

Натурные наблюдения за устойчивостью выработок, проводимых вприсечку к закладочному массиву, показали, что главными факторами, определяющими устойчивость вмещающего рудного массива вокруг выработок является: деформационно-прочностные свойства массива; наличие пустот в кровле смежной заложенной бетоном выработки; пустоты над закладкой смежных выработок; качество оконтуривания и забутовки выработок. Эти факторы должны учитываться в критерии напряженности Пв.

Было выполнено моделирование напряженного состояния массива вокруг очистных заходок, пройденных вприсечку к закладочному массиву, с целью установления насколько изменились вертикальные напряжения в рудном боку присечки относительно напряжений в боках одиночной выработки.

Для каждого типа руды моделировались различные варианты производства работ на Яковлевском руднике: с полной закладкой и с недозакладом выработок; с проходкой выработок буровзрывным способом и комбайном избирательного действия, с крепью КМП-АЗ и анкерной крепью.

Критерий Яв для боков определяется отношением вертикальных напряжений на контуре к прочности руды в массиве с учетом его ослабления трещинами. Как показывают натурные наблюдения и компьютерное моделирование, в зависимости от типа руд, приконтурный массив на глубину до 0,4-1,3 м подвержен пластическим деформациям. На практике невозможно прогнозировать или определить прочность руд, подверженных пластическим деформациям.

Для учета всех этих факторов в формуле (1) коэффициент К\ заменяется на комплексный коэффициент Кк, величина которого обоснована результатам и компь ютерного моделирования и натурных исследований. Тогда формула (1) примет вид:

б _ СгК*К2 в~ RKJ/

где Кк - коэффициент концентрации напряжений вследствие проведения выработки, зависящий от порядка проходки исследуемой выработки, величины недозаклада и деформационно-прочностных свойствах вмещающего массива, принимаемый по таблице 3.

Таблица 3

Значения коэффициента Кк

Порядок проходки выработок* Тип крепи смежной выработки Тип руды**

№ Рыхлые ЖСМ Средней плотноста ЖСМ и хлоратизи-рованные ГГМ Плотные ЖСМ и кар-бонатизированные ГТМ

1 I - 1,8 1,76 1,75

2 II КМП-АЗ 1,95 2,01 2,1

3 III КМП-АЗ 2,05 2,15 2,23

4 I - 1,8 1,76 1,75

5 II Анкерная 1,9 1,96 1,96

6 III Анкерная 1,95 2,05 2,05

Примечание* I - одиночная выработка; II - проходка вприсечку к закладочному массиву захода и первой очереди; III - проходка вприсечку к закладочному массиву заходок первой и второй очереди.

Примечание** ЖСМ - железнослюдко-мартитовые, ГГМ - гидрогематитовые.

После определения значений критерия напряженности элемента выработки Пв по его величине устанавливается категория устойчивости участка выработки. Критерии категорий остаются прежними.

С использованием представленных выше защищаемых п о-ложения и натурных наблюдений обоснованы рациональные конструкции и параметры крепи выработок при проходке вприсечку к закладочному массиву (таблица 4) и разработаны технологические решения позволяющие обеспечить более безопастные условия ведения работ при проходке выработок вприсечку к закладочному массиву рекомендованные техническому отделу Яковлевского рудника.

Таблица 4

Конструкции и параметры крепи очистных заходок верхнего слоя

Критерий напряженности, П, Категория и состояние устойчивости обнажения Типы и параметры постоянной крепи

П.<1,0 I категория; устойчивое состояние Анкерная крепь в кровле, с сеткой анкерования 1,1x1,1м, с затяжкой контура металлической решеткой. Сталеполимерные анкера длиной 1,4 м - закрепление анкера 2 ампулами. Бетонный бок выработки не крепится.

П,=1,0 -1,3 II категория; предельное состояние Анкерная крепь по всему периметру, с сеткой анкерования 0,7x0,7м - 1,0x1,0 м, с затяжкой контура металлической решеткой. В кровле -сталеполимерные анкера длиной 1,8 м - закрепление анкера 3 ампулами. В рудном боку деревянные анкера длиной 1 м. Бетонный бок выработки не крепится.

П.=1,3 -3 III категория; неустойчивое состояние 1. Комбинированная крепь по всему периметру, с сеткой анкерования 0,7x0,7 м, с затяжкой контура с подхватами и с затяжкой кровли выработки обаполами, боков металлической сеткой. В кровле - сталеполимерные анкера длиной 1,8 м - закрепление анкера 3 ампулами. В рудном боку деревянные анкера длиной 1,8 м. Бетонный бок выработки не крепится. 2. При П,=2,5-3 применять крепь КМП-АЗ с затяжкой кровли и рудного бока просечным листом и забутовкой закрепного пространства. Шаг рам 1 м.

П»>3 IV категория; весьма неустойчивое состояние Крепь КМП-АЗ с затяжкой кровли и рудного бока просечным листом и забутовкой закрепного пространства. Шаг рам 0,5 м. В зонах контакта руд и тектонических нарушений применение передовой крепи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, содержащую решение актуальной для Яковлевского рудника задачи геомеханического обоснования способов обеспечения устойчивости выработок при проходке в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массиву.

Основные результаты выполненных исследований:

1. Разработаны плоские и объемные геомеханические модели, которые позволяют учитывать прочностные и деформационные характеристики рудного массива, состояния среды, порядок проходки и взаимодействие выработок защитного перекрытия.

2. Результаты зондирования закрепного пространства и анкетирования очистных заходок, пройденных вприсечку, подтверждают

неудовлетворительное качество оконтуривания выработок и забутовки закрепного пространства, повышающее риск возникновения аварийных ситуаций и не позволяющие передавать нагрузку от рудной потолочины на закладочный массив.

3. Исследования напряженно-деформированного состояния рудного массива на пространственных моделях и в шахтных условиях позволяют выявить наиболее опасные с точки зрения возможного вывалообразования участки очистных заходок. Наиболее опасными участками являются:

- кровля выработки, что обусловлено малой прочностью слагающего массива и его большим удельным весом;

- угловые целики между смежными заходками;

- рудные бока очистных заходок из-за значительных по величине вертикальных напряжений и малой прочности вмещающего массива.

В меньшей степени опасными участками являются:

- грудь забоя, где имеют место незначительные пластические деформации, а коэффициент концентрации напряжений не превышает 1,2;

- закладочный массив смежных очистных заходок, разрушения которых наиболее вероятны в плотных железнослюдково-мартитовых и карбонатизированных гидрогематитовых рудах.

4. Установлено влияние условий проходки смежной выработки на устойчивость выработок при проходке вприсечку к закладочному массиву. Обоснована необходимость учета величины комплексного коэффициента Кк, зависящего от порядка проходки исследуемой выработки, величины недозаклада и деформационно-прочностных свойств вмещающего массива. Получены значения коэффициента для представительных типов руд Яковлевского месторождения.

5. Доказано, что мониторинг за состоянием выработок в период их проходки и закладки позволяет оценить устойчивость очистных заходок, проводимых вприсечку к ранее заложенным, и выявить потенциально опасные к вывалообразованию участки выработок.

6. Доказано что, анкерная крепь с затяжкой контура способна обеспечить устойчивое состояние выработок в рудном массиве Яковлевского месторождения (кроме весьма неустойчивого состояния), при условии обоснования параметров, качественного выполнения работ по ее возведению и затяжке контура.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ:

В изданиях, входящих в Перечень ВАК Министерства образования и науки России:

1. Синегубов В.Ю., Очкуров В.И., Стрелецкий A.B. Напряженно-деформированное состояние массива рыхлых руд Яковлевского месторождения вокруг выработок, пройденных комбайновым и буровзрывным способами // Записки Горного института. - СПб.: СПГГИ, 2010. - т. 185. с. 102-106.

2. Синегубов В.Ю., Антонов Ю.Н. Обоснование конструкций упрочняющей крепи подготовительных выработок в рудном массиве Яковлевского рудника // Записки Горного института. - СПб.: СПГГИ, 2010. - т. 186. с. 94-98.

3. Синегубов В.Ю., Попов М.Г. Использование экспериментально-численного метода прогноза смещений вокруг выработки в рудном массиве // Известия высших учебных заведений. Горный журнал - 2011. - № 6 г. с. 70-73.

4. Синегубов В.Ю. Напряженно-деформированное состояние разделительного целика в слабых рудах между очистными заходками верхнего слоя // Известия высших учебных заведений. Горный журнал - 2011, - № 7 г. с. 86-91.

Патент:

5. Патент на изобретение №2435964 «Способ до-закладки пустот в кровле очистных заходок при отработке верхнего слоя с закладкой» опубликовано: 10.12.2012 г. авт. Синегубов В.Ю., Огородников Ю.Н.

В прочих изданиях:

6. Синегубов В.Ю. Исследование напряженно-деформированного состояния массива в угловых целичках смежных выработок при различных физико-механических свойствах руд // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки, серия: «Науки о Земле», 2011. Вып. I.e. 184-191.

РИЦ СПГГУ. 11.03.2012. 3.167 Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Синегубов, Вячеслав Юрьевич, Санкт-Петербург

61 12-5/3416

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

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

Научные руководители | д.т.н, профессор Ю.Н. Огородников! д.т.н, профессор А.Г. Протосеня

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт Петербург 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................................3

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................10

1.1. ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ И ДАННЫХ ПРАКТИКИ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ...........................................................................................................................10

1.1.1. Опыт разработки железорудных месторождений в сложных гидрогеологических условиях.............................................................................................10

1.1.2. Опыт горнорудной промышленности в обеспечении устойчивости выработок при проходке вприсечку к закладочному массиву.........................................................14

1.1.3. Опыт Яковлевского рудника по креплению выработок, пройденных по рыхлым рудам........................................................................................................................17

1.2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЯКОВЛЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ БОГАТЫХ РУД...........................................................................................20

1.3. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОД И РУД................................................26

1.4. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗУЧЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ РУДНОГО МАССИВА ВОКРУГ ВЫРАБОТОК................................................33

1.4.1. Методы оценки устойчивости обнажений и расчета нагрузок на крепь выработок, проводимых в рыхлых рудах........................................................................33

1.4.2. Жесткопластические и упруго-пластические модели породных массивов.....43

1.5. Выводы к главе 1............................................................................................................49

ГЛАВА 2. НАТУРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА СОСТОЯНИЕМ ВЫРАБОТОК ПРИ ПРОХОДКЕ ВПРИСЕЧКУ К ЗАКЛАДОЧНОМУ МАССИВУ...........................................52

2.1 АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ВЫРАБОТОК, ПРОЙДЕННЫХ ВПРИСЕЧКУ К ЗАКЛАДОЧНОМУ МАССИВУ.....................................................................................................52

2.1.1. Измерение переборов руды за крепью зондированием закрепного пространства..........................................................................................................................53

2.1.2. Результаты зондирования закрепного пространства..........................................56

2.1.3. Визуальные обследования очистных заходок (анкетирование)........................61

2.2 ВЫВАЛООБРАЗОВАНИЕ В ВЫРАБОТКАХ, ПРОВОДИМЫХ ВПРИСЕЧКУ К ЗАКЛАДОЧНОМУ МАССИВУ.....................................................................................................82

2.2.1. Наблюдение за вывалообразованием......................................................................82

2.2.3. Основные результаты наблюдений за вывалообразованием.............................89

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИ РОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РУДНОГО МАССИВА ПРИ ПРО ХОДКЕ ВЫРАБОТОК ВПРИСЕЧКУ К ЗАКЛАДОЧНОМУ МАССИВУ..............................................................................................95

3.1. ОБОСНОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВМЕЩАЮЩЕГО РУДНОГО МАССИВА....................................................................................95

3.2. ОБЪЕМНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ ВЕРХНЕГО СЛОЯ.................................................................................................100

3.2.1. Напряженно-деформационное состояние массива в зоне присечки рыхлых РУД...........................................................................................................................................103

3.2.2. Напряженно-деформированное состояние массива вокруг выработки, пройденной в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массиву............................120

3.3. Основные результаты исследований в главе 3......................................................140

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ

ВЫРАБОТОК, ПРОВОДИМЫХ ВПРИСЕЧКУ К ЗАКЛАДОЧНОМУ МАССИВУ.....143

4.1. ПРИМЕНЕНИЕ АНКЕРНОЙ КРЕПИ В ВЫРАБОТКАХ, ПРОЙДЕННЫХ ВПРИСЕЧКУ К ЗАКЛАДОЧНОМУ МАССИВУ................................................................................................144

4.2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ АНКЕРНОЙ КРЕПИ В ВЫРАБОТКАХ, ПРОВОДИМЫХ ВПРИСЕЧКУ К ЗАКЛАДОЧНОМУ МАССИВУ.........................................148

4.2.1. Расчет параметров анкерной крепи по условию закрепления концов анкеров за пределами зоны нарушенных пород........................................................................... 153

4.2.2. Натурное испытание прочности закрепления анкеров в рудах Яковлевского месторождения.....................................................................................................................155

4.3. ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ВЫРАБОТКИ......................................................160

4.4. ВЫБОР ТИПА И ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ ОЧИСТНЫХ ЗАХОДОК, ПРОВОДИМЫХ

ВПРИСЕЧКУ К ЗАКЛАДОЧНОМУ МАССИВУ.......................................................................165

4.5. ПРИМЕР РАСЧЕТА ПАСПОРТА КРЕПЛЕНИЯ ОЧИСТНЫХ ЗАХОДОК ВЕРХНЕГО СЛОЯ...............................................................................................................................................170

4.5.1. Испытания прочности закрепления сталеполимерных анкеров в ГГМ рудах Яковлевского месторождения...........................................................................................170

4.5.2. Определение категории устойчивости выработки.............................................173

4.5,З.Определение параметров крепи:.............................................................................174

4.5. Способы обеспечения устойчивости выработок, проводимых вприсечку к закладочному массиву........................................................................................................175

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ........................................................................................185

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................................................188

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ............................................................................................................198

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы:

В настоящее время потребность предприятий России в железорудном сырье, получаемом из богатых руд Курской магнитной аномалии, очень велика. Обеспечить часть нужного объема руды призван Яковлевский рудник.

Ю.Н. Огородников, А.Г. Протосеня, О.В. Тимофеев, B.JI. Трушко, H.H. Фотиева, В.М. Шик и другие.

Основным недостатком буровзрывной и комбайновой технологии проведения выработок защитного перекрытия с крепью КМП-АЗ является большая площадь породных обнажений из-за значительных переборов руды при проходке (по замерам средние по контуру переборы составляют 0,40 м) и неполной закладки выработок бетоном (недозаклад). При проходке выработок вприсечку к закладочному бетону сказывается несоответствие этих технологий состоянию рудного массива.

Цель работы:

Обеспечение устойчивости выработок при проходке в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массиву.

Идея работы:

Рациональные конструкции и параметры крепи выработок при проходке в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массиву должны выбираться на основе прогноза их устойчивости, базирующегося на результатах натурных исследований и математического моделирования, с учетом характера передачи нагрузки от вышележащей толщи на закладочный массив.

Основные задачи исследования:

проведение натурных наблюдений за устойчивостью массива вокруг выработок при проходке в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массиву;

разработка конечно-элементных моделей, имитирующих проходку и закладку выработок, проводимых вприсечку к закладочному массиву;

определение параметров напряженно-деформированного состояния вмещающего рудного массива вокруг выработок, проводимых вприсечку к закладочному массиву;

выбор оптимальных конструкций и параметров крепи выработок при проходке в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массиву;

разработка рекомендаций по креплению и проходке выработок при проходке вприсечку к закладочному массиву.

Методы исследований:

Использовалась комплексная методика исследований, включающая:

- численное моделирование процессов деформирования рудного массива при проходке выработок вприсечку к закладочному массиву, с использованием программного комплекса 81шиНа Abaqus;

- испытания в шахтных условиях рекомендуемых типов крепи.

Научная новизна работы:

На базе шахтных исследований и численного моделирования установлены:

- зависимость размеров и конфигурация зон разрушения рудного массива в кровле и боках выработок при проходке вприсечку к закладочному массиву от деформационно-прочностных свойств рудного массива, порядка проходки, качества оконтуривания и недозаклада выработок;

Защищаемые научные положения:

Практическая значимость работы:

различных типов руд Яковлевского месторождения;

- разработан способ опережающего крепления кровли при выемке целика между бетонной закладкой (заявка на изобретение № 2010142821/03(061543) от 19.10.2010 г, решение о выдаче патента от 21 июня 2011 г).

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций: подтверждается значительным объемом натурных наблюдений

за состоянием крепи и деформациями породного контура выработок в различных горнотехнических условиях, исследованием прочности закрепления анкеров, моделированием напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок методом конечных элементов, а также испытанием рекомендованных конструкций и параметров крепи в присечных выработках на производстве.

Апробация диссертации:

Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференции молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (2010 г.); ежегодных конференциях молодых ученых и студентов в 2010-2011 г. (СПГГУ, Санкт-Петербург); на международном форуме молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2010 г.).

Личный вклад автора заключается:

В постановке задач исследований, в сборе натурных данных по объекту исследования и обзоре научной литературы, проведении натурных исследований, обработке и анализе натурных данных, создании конечно-элементных моделей для исследования особенностей формирования областей предельного состояния вокруг выработок, проводимых вприсечку к закладочному массиву, выполнении численных экспериментов, разработке и внедрении практических рекомендаций.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 4 работы в изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России, получен один патент на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 198 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение,

список использованной литературы из 97 наименований, 66 рисунков и 27 таблиц.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ И ДАННЫХ ПРАКТИКИ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1.1. Опыт разработки железорудных месторождений в сложных гидрогеологических условиях

Разработка месторождений под водоемами и водоносными горизонтами всегда являлась сложной горнотехнической проблемой, а в совокупности с проблемами, возникающими из-за слабых, рыхлых и слоистых вмещающих руд, а так же множества зон ослаблений рудного массива становится весьма сложной задачей. Аналогов Яковлевскому месторождению по гидрогеологическим условиям строительства в мировой горнорудной практике нет.

Рассмотрим месторождения, близкие по способу разработки и условиям залегания полезного ископаемого:

- Северо-Уральский бокситовый рудник. Слоевую систему с закладкой выработанного пространства начали применять на участках с неустойчивой кровлей взамен системы слоевого обрушения [1]. Основными причинами, вызвавшими необходимость перехода к системе послойной разработки с закладкой, явились сложность управления горным давлением и наличие подземных вод в покрывающих породах. Размер блока по простиранию составляет 60-64 м. Этаж подготавливается полевым откаточным штреком, проведённым в лежачем боку, ортами-заездами и рудными восстающими. Для обеспечения полноты закладки выработанного пространства слоям придаётся уклон в сторону лежачего бока под углом 5-10° [2].

- Рудник Супериор компании «Магма Коппер» (США). Длина рудных пластообразных тел изменяется от 75 до 152 м, мощность от 4,7 до 38 м. Угол падения 30°. Преобладающие рудные минералы - халькопирит и биопит. Кровля пласта сложена неустойчивыми известняками и сланцами. Руда

блочного строения, сильнотрещиноватая. Добычные работы ведут на глубине около 1000 м.

Первоначально рудные тела отрабатывали системой разработки со станковой крепью, без закладки выработанного пространства. Через некоторое время начались обрушения пород висячего бока, что сделало работы опасными и привело к затратам на восстановительные работы и к нарушению вентиляции. Было принято решение заполнить выработанное пространство хвостами обогащения. Это помогло повысить устойчивость. Однако стало очевидным, что обычная выемка с применением станковой крепи не соответствует сложным горнотехническим условиям с точки зрения безопасности, эффективности и экономики.

В дальнейшем перешли на нисходящую выемку с закладкой слоями высотой 3 м под искусственным перекрытием из закладочного материала Заходки шириной 3 м проводят под прямым углом к транспортному орту, который заполняется закладочным материалом в последнюю очередь [3].

- Рудник Харди (Канада) разрабатывает линзообразное рудное тело мощностью до 55 м под углом падения 30-35°. Максимальная его длина по простиранию достигает 365 м, по падению 305 м.

После некоторых затруднений, имевших

Информация о работе

Синегубов, Вячеслав Юрьевич
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2012
ВАК 25.00.20

Диссертация

Геомеханическое обоснование способов обеспечения устойчивости выработок при проходке в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массиву - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы