Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геомеханическое обоснование устойчивости горных выработок под защитным перекрытием

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

Автореферат диссертации по теме "Геомеханическое обоснование устойчивости горных выработок под защитным перекрытием"

На правах рукописи

СТРЕЛЕЦКИИ Александр Владимирович

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ПОД ЗАЩИТНЫМ ПЕРЕКРЫТИЕМ (НА ПРИМЕРЕ ЯКОВЛЕВСКОГО РУДНИКА)

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение

горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

00505900Ї)

Автореферат диссертации на соискание ученой степе ни кандидата технических наук

і к т ш

Санкт-Петербург - 2013

005059005

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

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Трушко Владимир Леонидович

Официальные оппоненты:

Сергеев Сергей Валентинович доктор технических наук, профессор, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Белгородский государственный национальный

исследовательский университет», кафедра прикладной геологии и горного дела, заведующий кафедрой

Максимов Антон Борисович кандидат технических наук, ООО «ГорноХимический инжиниринг», департамент горного инжиниринга, главный специалист

Ведущая организация - ЗАО «ПитерГОРпроект».

Защита диссертации состоится 31 мая 2013 г. в 14 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. №1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 30 апреля 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ XI СИДОРОВ

диссертационного совета Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Яковлевское месторождение богатых железных руд с запасами более 9,6 млрд. тонн и содержанием железа в руде до 69% является наиболее крупным в Белгородском железорудном районе и играет важную роль в развитии минерально-сырьевой базы Российской Федерации.

Месторождение не имеет аналогов по сложности горногеологических условий и характеризуется наличием семи высоконапорных водоносных горизонтов в покрывающей толще, низкой прочностью богатых железных руд до 1,0 МПа и высокой пористостью до 42%.

Для обеспечения безопасной разработки месторождения оставляется предохранительный рудный целик мощностью 65 м и формируется искусственное защитное перекрытие из твердеющей закладочной смеси. Отработка запасов ведется горизонтальными слоями в нисходящем порядке с полной закладкой выработанного пространства.

В результате ведения горных работ происходит изменение напряженно-деформированного состояния вмещающего рудного массива, что приводит к потере устойчивости горных выработок, проводимых под защитным перекрытием, и отрицательно влияет на производственные показатели Яковлевского рудника.

Исходя из вышеизложенного, геомеханическое обоснование устойчивости горных выработок Яковлевского рудника под защитным перекрытием является актуальной научно-технической задачей.

Большой вклад в решение геомеханических проблем по обеспечению устойчивости горны : выработок внесли: К.А. Ардашев, И.В. Баклашов, Н.С. Булычев, В.П. Зубов, В.Р. Именитов, Д.Р. Каплунов, Б.А. Картозия, О.В. Ковалев,

A.A. Козырев, Ю.Н. Огородников, А.Г. Протосеня, К.В. Руппенейт,

B.C. Сажин, C.B. Сергеев, О.В. Тимофеев, К.Н. Трубецкой, B.JI. Трушко, П.М. Цимбаревич и другие ученые.

Однако в опубликованных работах не рассматривались вопросы обеспечения устойчивости горных выработок под защитным перекрытием в условиях, аналогичных Яковлевскому

железорудному месторождению.

Цель работы. Обеспечение устойчивости горных выработок

под защитным перекрытием.

Идея работы. Геомеханическое обоснование устойчивости горных выработок, пройденных под защитным перекрытием, должно базироваться на закономерностях формирования поверхностей сдвига в приконтурном рудном массиве и учете контактного взаимодействия с перекрытием.

Основные задачи исследования:

• анализ теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния рудного массива и защитного перекрытия при отработке железорудных

месторождений;

• Проведение натурных наблюдений за проявлениями горного давления в выработках под защитным перекрытием;

• численное моделирование напряженно-деформированного состояния рудного массива вокруг выработок, пройденных под защитным перекрытием;

• определение закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния рудного массива при отработке богатых железных руд под защитным перекрытием;

• обоснование рациональной формы поперечного сечения и параметров анкерной крепи горных выработок, проводимых под

защитным перекрытием.

Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплекса методов исследований, включающего анализ и обобщение отечественной и зарубежной литературы, натурные исследования проявлений горного давления при ведении горных работ под защитным перекрытием, численное моделирование геомеханических процессов деформирования рудного массива при ведении горных работ и закладке выработок под защитным перекрытием с использованием метода конечных элементов, испытания в шахтных условиях анкерной крепи.

Научная новнзна:

• установлена зависимость размеров и конфигурации зоны предельного состояния в боках выработок, пройденных под защитным перекрытием, от деформационно-прочностных характеристик рудного массива;

• выявлены закономерности изменения параметров напряженно-деформированного состояния вмещающего массива при отработке богатых железных руд под защитным перекрытием с учетом характера контактного взаимодействия рудного массива и защитного перекрытия.

Основные защищаемые положения:

1. Механизм потери устойчивости выработок, пройденных под защитным перекрытием, заключается в образовании поверхностей сдвига в боках выработок, параметры которых зависят от деформационно-прочностных свойств приконтурного рудного массива.

2. Напряженно-деформированное состояние рудного массива вокруг выработки описывается моделью упругопластического тела, учитывающей характер контактного взаимодействия рудного и закладочного массивов.

3. Устойчивость горных выработок под защитным перекрытием обеспечивается трапециевидной формой сечения и упрочнением стеклопластиковыми анкерами зоны предельного состояния приконтурного массива в боках выработок.

Практическая значимость работы:

• обоснована рациональная форма поперечного сечения и конструкция крепи горных выработок при их проведении под защитным перекрытием;

• разработан способ упрочнения слабых трещиноватых рудных массивов (заявка на изобретение № 2011152572(078924) от 22.11.2011 г., решение о выдаче патента 01.02.2013 г.).

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается значительным объемом натурных и аналитических исследований, применением численного моделирования напряженно-деформированного состояния массива методом конечных элементов, высокой

сходимостью результатов численных расчетов с данными натурных наблюдений, положительными результатами внедрения рекомендаций по обеспечению устойчивости выработок под

защитным перекрытием.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференции молодых ученых в Краковской горнометаллургической академии (Польша, г. Краков, 2011 г.); на конференции «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (г. Москва, 2010 г.), «Современные проблемы геомеханики, геотехнологии, маркшейдерии и геодезии при разработке месторождений полезных ископаемых и освоении подземного пространства» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и их решения» (г. Воркута, 2012, 2013 гг.); заседаниях научно-технического совета по работе с аспирантами и получили одобрение.

Реализация результатов работы. Результаты исследовании использованы для разработки рекомендаций по выбору параметров сечения и крепи горных выработок под защитным перекрытием при отработке запасов богатых железных руд на Яковлевском руднике, ООО «МЕТАЛЛ-ГРУПП». Научные и практические результаты исследования использованы при выполнении хоздоговорных научно-исследовательских работ в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований, сборе данных по объекту исследования и анализе научной литературы, формулировке защищаемых положений, проведении натурных наблюдений за состоянием выработок, пройденных под защитным перекрытием Яковлевского рудника, обработке и анализе натурных данных, создании конечно-элементных моделей для исследования особенностей формирования напряженно-деформированного состояния рудного массива вокруг выработок, проводимых под защитным перекрытием, разработке

практических рекомендаций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 4 работы в изданиях, входящих в Перечень

6

ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 103 наименований, 61 рисунок и 24 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В главе 1 выполнен анализ горно-геологических условий Яковлевского железорудного месторождения, исследованы физико-механические свойства руд и вмещающих пород, изучен опыт разработки рудных месторождений под водоносными горизонтами, проведен анализ методов оценки устойчивости рудных обнажений. Сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 2 приведены методика и результаты натурных исследований за осадкой предохранительного рудного целика и устойчивостью горных выработок, пройденных под защитным перекрытием в рыхлых и плотных рудах.

В главе 3 выполнены численное моделирование и анализ напряжённо-деформированного состояния массива при проведении горных выработок различных форм поперечного сечения под защитным перекрытием с учетом характера контактного взаимодействия рудного массива и защитного перекрытия.

В главе 4 даны рекомендации по выбору рациональной формы поперечного сечения и параметров крепи горных выработок, проводимых под защитным перекрытием, представлены результаты шахтных испытаний в рыхлых рудах стеклопластиковых анкеров.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Механизм потери устойчивости выработок, пройденных под защитным перекрытием, заключается в образовании поверхностей сдвига в боках выработок, параметры которых зависят от деформационно-прочностных свойств приконтурного рудного массива.

Рудный массив Яковлевского месторождения характеризуется изменчивостью физико-механических свойств богатых железных руд, их прочностные характеристики варьируются в широком диапазоне. По пределу прочности на

одноосное сжатие руды Яковлевского месторождения разделяются на рыхлые, полурыхлые и плотные. Среднее значение предела прочности на одноосное сжатие для рыхлых руд составляет 1,0 МПа, полурыхлых 6,37 МПа и плотных 18,66 МПа. На долю рыхлых руд Приходится около 60% от общих запасов месторождения.

С развитием горных работ по добыче полезного ископаемого под защитным перекрытием в рудном массиве происходит активизация геомеханических процессов, которые недостаточно изучены. Наблюдается потеря устойчивости горных выработок, пройденных в рыхлых рудах под защитным перекрытием.

Для получения фактических данных и выявления характера деформирования массива руд при проведении выработок под защитным перекрытием был выполнен комплекс натурных наблюдений, включающий анкетирование выработок с проведением

инструментальных наблюдений.

Были обследованы выработки гор. -375 м, пройденные комбайнами избирательного действия в различных типах руд под защитным перекрытием. Размеры поперечного сечения выработок

составляют: высота 4,0 м, ширина 4,9 м.

В плотных мартит-гидрогематитовых рудах (1 - 2-4) наблюдаются отслоения руды в боках выработок. Куски руды представляют собой вытянутые по слоистости эллипсы, длинои до 15-2 м высотой до 2 м и толщиной 0,3-0,4 м. На рисунке 1 представлен типичный контур незакрепленной выработки, пройденной в плотных рудах.

фактический контур "выработки

выработки

Рисунок 1 - Типичный контур сечения выработки в плотной руде

8

После оборки боков незакрепленные выработки, пройденные под защитным перекрытием в плотных рудах, сохраняют устойчивое состояние в течение всего срока эксплуатации выработок.

В выработках, пройденных в железнослюдково-мартитовых рыхлых рудах (Г < I) тонко зернистой структуры характер деформирования приконтурного массива имеет следующие особенности: отслоение руды происходит по поверхности сдвига с углом наклона около 60°. Средние размеры кусков отслоившейся руды с боков у кровли выработок доходят до 1,0-1,2 м. Объем отдельных кусков отслоившейся руды достигает 11,5 м3, площадь поперечного сечения выработки отличается от проектной на 10-15%.

На рисунке 2 представлен типичный контур незакрепленной выработки, пройденной в рыхлых рудах.

Фактический контур незакреплённой выработки в рыхлых рудах близок к форме трапеции с большим основанием в кровле выработки. Состояние незакрепленных рудных обнажений относится к весьма неустойчивому.

Результатами натурных исследований подтверждается, что потеря устойчивости приконтурного массива обусловлена образованием поверхностей сдвига в боках выработок, параметры которых зависят от деформационно-прочностных свойств руды.

Разрушение рудного массива в боках выработок создает угрозу безопасности ведения горных работ и препятствует нормальному проведению технологических процессов, связанных с добычей руды.

Рисунок 2 - Типичный контур сечения горной выработки в рыхлой руде

2. Напряженно-деформированное состояние рудного массива вокруг выработки описывается моделью упругопластического тела, учитывающей характер контактного взаимодействия рудного и закладочного массивов.

Для решения поставленных задач использовалось численное моделирование с применением метода конечных элементов, исследовалось напряженно-деформированное состояние рудного массива при проведении выработок под защитным перекрытием с учетом характера контактного взаимодействия рудного и

закладочного массивов.

Моделирование выполнено в постановке плоской деформации. Рудный массив рассматривался как сплошная среда и заменялся весомой конечной областью шириной 1300 м и высотой 200 м (рисунок 3).

Р=7 МПа

1X1111 1 111111-1

560 м

.180м

560 м

І І I Л І і Аг,

защитное перекрытие

Рисунок 3 - Принципиальная схема конечно-элементной модели

Граничные условия: в модели запрещались смещен* ч по боковым граням - в направлении оси X по нижней грани - по оси У, верхняя грань модели оставлялась свободно деформируемой. Почва выработок защитного перекрытия расположена от верхней грани модели на расстоянии 65 м (мощность предохранительного рудного

целика над верхним слоем).

Естественное напряженно-деформированное состояние массива определяется с учетом его геологического строения,

10

вертикальные напряжения составляют ау = 7 МПа. Величина напряжений принята на основании ранее проведенных расчетов напряженно-деформированного состояния осушенного

неоднородного рудного массива на границе «известняки карбона -рудное тело».

Вмещающий рудный массив представлен нелинейно деформируемой изотропной средой с физико-механическими характеристиками железнослюдково-мартитовой рыхлой руды: модуль деформации 1300 МПа; коэффициент Пуассона 0,26, угол внутреннего трения 28° и сцепление 0,4 МПа. Предельное состояние рудного массива оценивается условием прочности Кулона.

Защитное перекрытие представляет собой систему параллельных выработок, заложенных литой твердеющей смесью.

Дискретизация расчетной области модели была реализована таким образом, чтобы минимальный геометрический размер конечного элемента составил 0,3 м на контуре выработок, а максимальный по мере удаления - 5 м. На рисунке 4 представлен фрагмент сетки конечных элементов и очередность проведения выработок.

Рисунок 4 - Фрагмент сетки конечно-элементной модели. 1 -защитное перекрытие; 2 - горная выработка под защитным перекрытием

Рассматривались два типа контактного взаимодействия рудного массива и защитного перекрытия:

1- «жесткий» контакт, исключающий перемещения

защитного перекрытия и рудного массива;

2- контакт с трением, допускающий возможность перемещения рудного массива и защитного перекрытия.

На рисунке 5 показана конфигурация зоны предельного состояния возле одиночной выработки для двух типов контактного

взаимодействия.

Рисунок - 5 Формирование зоны предельного состояния в боках выработки под защитным перекрытием: а) при контакте с трением; б) при «жестком» контакте

Конфигурация зоны предельного состояния, представленная на рисунке 5 а) получена при контакте с коэффициентом трения скольжения / = 0,35-0,45 и качественно согласуется с данными

натурных наблюдений.

Для оценки напряженно-деформированного состояния рудного массива и определения зоны влияния горной выработки, проводимой под защитным перекрытием, получены закономерности изменения коэффициента концентрации вертикальных напряжений к и горизонтальных смещений приконтурного массива в боках выработки, пройденной в рыхлых рудах с учетом контакта с трением. Максимальные концентрации вертикальных напряжений к=1,62 отмечаются на расстоянии 2,0 м до контура выработки. В зоне предельного состояния на расстоянии до 1,2 м до контура выработки к= 0,7-1,0. Зона влияния выработки составляет 8 м (рисунок 6).

Коэффициент Расстояние до контура выработки, м

концентрации ~я— 600 мм от кровлп —*—1500 мм от кровли —*— 2100 мм от кровли

Горшонтальные

смешения —- 600 мм от кровли —1500 мм откроют -*•-*• 2100 мм от кровли

Рисунок 6 - Зависимость изменения коэффициента концентрации вертикальных напряжений и горизонтальных смещений от расстояния до контура выработки

Горизонтальные смещения распространяются вглубь рудного массива на 3,0 м, контур выработки у кровли смещается на 25 мм. Резкий рост горизонтальных смещений отмечается на расстоянии 1,2 м до контура выработки, что соответствует границе области предельного состояния.

По результатам численного моделирования можно сделать следующие выводы:

- учет характера контактного взаимодействия рудного и закладочного массива является существенным фактором, определяющим напряженно-деформированное состояние вокруг выработки под защ итным перекрытием;

- возникновение отслоения происходит в результате перехода приконтурного рудного массива в предельное состояние. В продольном направлении отслоение образуется в результате сдвига по границе зоны предельного состояния рудного массива.

Механизм потери устойчивости рудных обнажений боков выработки под защитным перекрытием, выявленный при численном моделировании подтверждается данными натурных наблюдений.

3. Устойчивость горных выработок под защитным перекрытием обеспечивается трапециевидной формой сечения и упрочнением стеклопластиковыми анкерами зоны предельного состояния приконтурного массива в боках выработок.

Результаты данных натурных наблюдений за устойчивостью выработок и численного моделирования показывают, что бока незакрепленной выработки прямоугольного сечения, пройденной в рыхлых рудах под защитным перекрытием, теряют устойчивость в результате образования поверхностей сдвига в приконтурном рудном массиве.

На основании анализа количественных зависимостей численного моделирования проведения горных выработок под защитным перекрытием и данных натурных наблюдений обоснованы рациональные параметры поперечного сечения выработок (рисунок 7).

Выработки первой очереди трапециевидной формы сечения с большим основанием у кровли следует проводить с оставлением целика величиной в 3 пролета, после их закладки проводятся выработки второй очереди. Выработки третьей очереди проводятся между двумя заложенными выработками. Данная конфигурация выработок удовлетворяет следующим основным критериям: обеспечивает безопасные условия поддержания выработок и учитывает параметры используемого в настоящее время на Яковлевском руднике комбайна избирательного действия Ш10.

Эффективность разработанных мероприятий по креплению выработок под защитным перекрытием оценивалась на основании результатов большого количества выполненных численных экспериментов и шахтных исследований.

Для оценки напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок, закрепленных анкерной крепью, была создана пространственная конечно-элементная модель.

Стеклопластиковые анкера, применяемые для крепления рудных обнажений, моделировались в виде стержней, жестко закрепленных в массиве по всей длине анкера. Длина стержней анкеров составила 1600 мм, диаметр - 23 мм; модуль упругости материала анкеров принимался равным 40 ГПа, коэффициент Пуассона - 0,26. Выбор данного типа крепи обусловлен возможностью разрушения стержня исполнительным органом комбайна без повреждения его механизмов.

На рисунке 8 показана конфигурация зон предельного состояния возле одиночной выработки трапециевидной формы, закрепленной стеклопластиковой анкерной крепью. Моделирование проводилось для различных вариантов расположения анкеров в боках выработки (изменялось количество анкеров и расстояние

между ними, шаг 1,0 м).

—---—з

Защитное перекрытие'/

Рисунок 8 - Формирование зоны предельного состояния в боках выработки трапециевидной формы, закрепленной: а) тремя анкерами; б) двумя анкерами

В приконтурном массиве выработки, упрочненном тремя анкерами длиной 1,6 м, отмечены локальные зоны предельного состояния с наибольшим линейным размером до 0,35 м.

Растягивающие напряжения, возникающие в анкерах, варьируются в диапазоне от 2,0 до 4,7 МПа.

В выработке с установленными в боку двумя анкерами линейные размеры зон предельного состояния варьируются до 0,4 -0,55 м.

Для оценки напряженно-деформированного состояния рудного массива и определения зоны влияния выработки, проводимой под защитным перекрытием, получены закономерности изменения коэффициента концентрации вертикальных напряжений и горизонтальных смещений в боках выработки, закрепленной стеклопластиковыми анкерами, пройденной в рыхлых рудах с учетом контакта трения. Значения, полученные на высоте 2,0 м от почвы выработки представлены на рисунке 9.

г5

5 >£

§ 5

5 и

Е І

о В-

3 £

з: с

о 5

и -

ь X

® 3

0 Е

я -а

1 § •в- Ї -е- Р

8 8" я

1.5

0.5

\ \ ,, 1 с*

/ { ........................\....... -ч «V

\ N V

10 і

£ с

СП

X с.

ГС

Коэффициент коїшешраші Горизонтальные смещения

12 3 4

Расстояние до контура выработки, м —*—3 анкера —К—2 анкера

--— 3 анкера —— 2 анкера

Рисунок 9 - Зависимость изменения коэффициента концентрации вертикальных напряжений и горизонтальных смещений от расстояния до контура выработки (на высоте 2,0 м от почвы выработки)

В боку выработки, закрепленном двумя стеклопластиковыми анкерами, максимальное значение коэффициента концентрации

вертикальных напряжений к =2,0 отмечается на расстоянии 1,0 м до контура выработки. Горизонтальные смещения контура составляют

12 мм.

В боку выработки, упрочненном тремя стеклопластиковыми анкерами, максимальные концентрации вертикальных напряжений £=1,68 отмечаются на расстоянии 0,9 -1,3 м до контура выработки. Зона влияния выработки составляет 6 м.

Горизонтальные смещения контура выработки составляют 6 мм, что на 50% меньше по сравнению с аналогичным показателем для бока выработки, закрепленном двумя анкерами.

Параметры рекомендуемой анкерной крепи представлены на рисунке 10.

Расстояние между анкерами: А= 600 мм В = 1000 мм С = 1400 мм

Расстояние между рядами (шаг): Ъ= 1000 мм

Длина стержня: 1600 мм Диаметр стержня: 23 мм Несущая способность: 60 кН

анкера. Ы600 мм

Рисунок 10 - Параметры рекомендуемой анкерной крепи

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится решение актуальной задачи геомеханического обоснования устойчивости горных выработок под защитным перекрытием.

Основные результаты выполненных исследований:

1. По результатам проведенных натурных исследований за устойчивостью горных выработок под защитным перекрытием выявлены закономерности образования поверхностей сдвига в боках выработок в зависимости от типа руд. Поверхность сдвига в рыхлых рудах располагается на глубине 1,20 м у кровли выработки под углом 60°.

2. Разработаны плоские и объемные конечно-элементные модели прогноза напряженно-деформированного состояния рудного массива при проведении горных выработок прямоугольной и трапециевидной формы поперечного сечения с применением стеклопластиковой анкерной крепи, учитывающие характер контактного взаимодействия рудного массива и защитного перекрытия.

3. Установлено, что учет характера контактного взаимодействия рудного и закладочного массивов является существенным фактором, определяющим напряженно-деформированное состояние рудного массива вокруг выработки под защитным перекрытием.

4. Установлены закономерности формирования зон предельного состояния прикокгурного рудного массива при проведении выработок под защитным перекрытием. В рыхлых рудах граница зоны предельного состояния находится у кровли на глубине 1,20 м от контура выработки.

5. Установлены закономерности и численные значения горизонтальных смещений и коэффициентов концентрации вертикальных напряжений рудного массива вокруг выработок различной формы поперечного сечения, пройденных под защитным перекрытием. Использование трапециевидной формы сечения выработки с упрочнением приконтурного массива рекомендуемой анкерной крепью снижает горизонтальные смещения контура выработки на 75% по сравнению с незакрепленным контуром выработки прямоугольной формы.

6. Разработаны рекомендации по выбору рациональной формы поперечного сечения и параметров стеклопластиковой анкерной крепи горных выработок, пройденных под защитным перекры гием в условиях Яковлевского рудника.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Стрелецкий A.B. Напряженно-деформированное состояние массива рыхлых руд Яковлевского месторождения вокруг выработок, пройденных комбайновым и буровзрывным способами/

В.И. Очкуров, В.Ю. Синегубов, A.B. Стрелецкий // Записки Горного института, СПб, 2010 г., Т.185, с. 102-106.

2. Стрелецкий A.B. Обеспечение устойчивости горных выработок, пройденных в условиях Яковлевского железорудного месторождения / О.В. Трушко, Д.Н. Петров, A.B. Стрелецкий // Известия высших учебных заведений. Горный журнал, Екатеринбург, 2012, № 2, с. 45-51.

3. Стрелецкий A.B. Моделирование напряжённо-деформированного состояния рудного массива Яковлевского рудника при ведении горных работ под защитным перекрытием / О.В. Трушко, A.B. Стрелецкий // Записки Горного института, СПб, 2012, Т.199, с. 60-63.

4. Стрелецкий A.B. Современные проблемы разработки рудных месторождений в сложных горно-геологических условиях / О.В. Трушко, A.A. Сидоренко, A.B. Стрелецкий // Маркшейдерия и недропользование, М, 2011, №2, с. 7-8.

5. Стрелецкий A.B. Анализ результатов натурных наблюдений за осадкой защитной рудной потолочины при отработке запасов богатых железных руд на Яковлевском руднике / О.В. Трушко, A.B. Стрелецкий // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения. Труды 10-ой Межрегиональной научно-практической конференции, Филиал Горного университета «Воркутинский горный институт», Воркута. 2012 г., с. 168-171.

6. Стрелецкий A.B. Натурные наблюдения за устойчивостью горных выработок под защитным перекрытием Яковлевского рудника // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения. Труды 11-ой Межрегиональной научно-практической конференции, Филиал Горного университета «Воркутинский горный институт», Воркута. 2013 г., с. 192-196.

7. Стрелецкий A.B. Анализ результатов геомеханическог) мониторинга за состоянием рудной потолочины при отработке Яковлевского железорудного месторождения/ О.В. Трушко, A.B. Стрелецкий // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения. Труды 11-ой Межрегиональной научно-практической конференции, Филиал Горного университета «Воркутинский горный институт», Воркута. 2013 г., с. 200-204.

РИЦ Горного университета. 25.04.2013. 3.227 Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Стрелецкий, Александр Владимирович, Санкт-Петербург

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ГОРНЫЙ»

04201358720

На правах рукописи

СТРЕЛЕЦКИЙ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ПОД ЗАЩИТНЫМ ПЕРЕКРЫТИЕМ (НА ПРИМЕРЕ ЯКОВЛЕВСКОГО РУДНИКА)

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

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор В.Л. Трушко

Санкт Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ..................9

1.1 Геологические и гидрогеологические условия Яковлевского месторождения богатых железных руд.................................................................................................9

1.2 Физико-механические свойства руд, вмещающих пород и закладочного массива........................................................................................................................16

1.3 Анализ опыта разработки рудных месторождений под водоносными горизонтами................................................................................................................24

1.4 Анализ методов изучения напряженно-деформированного состояния рудного массива вокруг выработок и оценки устойчивости рудных обнажений..................................................................................................................28

1.5 Цель, задачи и методы исследований................................................................37

1.6 Выводы по главе 1...............................................................................................39

ГЛАВА 2 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РУДНОГО И ЗАКЛАДОЧНОГО МАССИВОВ ЯКОВЛЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ........................................40

2.1 Методика наблюдений за осадкой рудной потолочины и устойчивостью горных выработок под защитным перекрытием....................................................40

2.2 Результаты наблюдений за осадкой предохранительного рудного целика ..49

2.3 Результаты натурных наблюдений за состоянием горных выработок, пройденных под защитным перекрытием...............................................................58

2.4 Выводы по главе 2...............................................................................................74

ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РУДНОГО МАССИВА ПРИ ПРОХОДКЕ ВЫРАБОТОК ПОД

ЗАЩИТНЫМ ПЕРЕКРЫТИЕМ..............................................................................76

3.1 Постановка задачи моделирования....................................................................76

3.2 Анализ результатов численного моделирования напряжённо-деформированного состояния массива при проведении горных выработок прямоугольной формы поперечного сечения под защитным перекрытием.......84

3.3 Анализ результатов численного моделирования напряжённо-деформированного состояния массива при проведении горных выработок трапециевидной формы поперечного сечения под защитным перекрытием......97

3.4 Выводы по главе 3.............................................................................................104

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ И ВЫБОРУ ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК, ПРОЙДЕННЫХ ПОД ЗАЩИТНЫМ ПЕРЕКРЫТИЕМ...........107

4.1 Методы обеспечения устойчивости и опыт применения анкерной крепи в горных выработках Яковлевского рудника..........................................................107

4.2 Расчет параметров анкерной крепи выработок, пройденных под защитным перекрытием, по условию закрепления концов анкеров за пределами зоны нарушенных пород..................................................................................................114

4.3 Натурные испытания прочности закрепления стеклопластиковых анкеров в рыхлых рудах Яковлевского месторождения.......................................................116

4.4 Разработка рекомендаций по выбору рациональной формы поперечного сечения и параметров анкерной крепи горных выработок, пройденных под защитным перекрытием..........................................................................................125

4.5 Выводы по главе 4.............................................................................................133

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................134

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................136

Приложение А..........................................................................................................148

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Яковлевское месторождение богатых железных руд с запасами, превышающими 9,6 млрд. тонн, и содержанием железа в руде до 69% имеет большое значение в развитии минерально-сырьевой базы Российской Федерации.

Из-за сложнейших горно-геологических условий, обусловленных наличием 7 высоконапорных водоносных горизонтов в покрывающей толще, низкой прочностью богатых железных руд, высокой пористостью, достигающей 42% и недопустимостью вторичного их обводнения, представляет большие трудности прогнозирование геомеханических процессов в рудном массиве и вмещающих породах, что сдерживает эффективное развитие горных работ при освоении месторождения.

Выполненные испытания руд Яковлевского месторождения показывают, что их прочностные характеристики изменяются в широком диапазоне. По величине предела прочности на одноосное сжатие руды Яковлевского месторождения могут быть разделены на рыхлые, полурыхлые и плотные. Среднее значение предела прочности на одноосное сжатие для рыхлых руд составляет 1,0 МПа, полурыхлых 6,37 МПа и плотных 18,66 МПа.

Для обеспечения безопасной разработки месторождения оставляется предохранительный рудный целик мощностью 65 м и формируется искусственное защитное перекрытие из твердеющей закладочной смеси. Отработка запасов ведется горизонтальными слоями в нисходящем порядке с полной закладкой выработанного пространства.

В результате ведения горных работ происходит изменение напряженно-деформированного состояния вмещающего рудного массива, что приводит к потере устойчивости горных выработок, проводимых под защитным перекрытием, и отрицательно влияет на производственные показатели Яковлевского рудника.

Исходя из вышеизложенного геомеханическое обоснование устойчивости горных выработок Яковлевского рудника под защитным перекрытием является актуальной научно-технической задачей.

Большой вклад в решение геомеханических проблем по обеспечению устойчивости горных выработок внесли: К.А. Ардашев, И.В. Баклашов, Н.С. Булычев, В.П. Зубов, В.Р. Именитов, Д.Р. Каплунов, Б.А. Картозия, О.В. Ковалев, A.A. Козырев, Ю.Н. Огородников, А.Г. Протосеня, К.В. Руппенейт, B.C. Сажин, C.B. Сергеев, О.В. Тимофеев, К.Н. Трубецкой, B.JI. Трушко, П.М. Цимбаревич и другие.

Однако в опубликованных работах не рассматривались вопросы обеспечения устойчивости горных выработок под защитным перекрытием в условиях, аналогичных Яковлевскому железорудному месторождению.

Цель работы: обеспечение устойчивости горных выработок под защитным перекрытием.

Идея работы: геомеханическое обоснование устойчивости горных выработок, пройденных под защитным перекрытием, должно базироваться на закономерностях формирования поверхностей сдвига в приконтурном рудном массиве и учете контактного взаимодействия с перекрытием.

Основные задачи исследования:

1. анализ теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния рудного массива и защитного перекрытия при отработке железорудных месторождений;

2. проведение натурных наблюдений за проявлениями горного давления в выработках под защитным перекрытием;

3. численное моделирование напряженно-деформированного состояния рудного массива вокруг выработок, пройденных под защитным перекрытием;

4. определение закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния рудного массива при отработке богатых железных руд под защитным перекрытием;

5. обоснование рациональных форм поперечного сечения и параметров анкерной крепи горных выработок, проводимых под защитным перекрытием.

Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплекса методов исследований, включающего анализ и обобщение отечественной и зарубежной литературы, натурные исследования проявлений горного давления при ведении горных работ под защитным перекрытием, компьютерное моделирование геомеханических процессов деформирования рудного массива при ведении горных работ и закладке выработок под защитным перекрытием с использованием метода конечных элементов, испытания в шахтных условиях анкерной крепи.

Научная новизна работы диссертационного исследования заключается в следующем:

- установлена зависимость размеров и конфигурации зоны предельного состояния в боках выработок, пройденных под защитным перекрытием, от деформационно-прочностных характеристик рудного массива;

выявлены закономерности изменения параметров напряженно-деформированного состояния вмещающего массива при отработке богатых железных руд под защитным перекрытием с учетом характера контактного взаимодействия рудного массива и защитного перекрытия.

Основные защищаемые положения:

1. Механизм потери устойчивости выработок, пройденных под защитным перекрытием, заключается в образовании поверхностей сдвига в боках выработок, параметры которых зависят от деформационно-прочностных свойств приконтурного рудного массива.

2. Напряженно-деформированное состояние рудного массива вокруг выработки описывается моделью упругопластического тела, учитывающей характер контактного взаимодействия рудного и закладочного массивов.

3. Устойчивость горных выработок под защитным перекрытием обеспечивается трапециевидной формой сечения и упрочнением

стеклопластиковыми анкерами зоны предельного состояния приконтурного массива в боках выработок.

Практическая значимость работы:

- обоснована рациональная форма поперечного сечения и конструкция крепи горных выработок при их проведении под защитным перекрытием;

- разработан способ упрочнения слабых трещиноватых рудных массивов (заявка на изобретение № 2011152572(078924) от 22.11.2011 г, решение о выдаче патента 01.02.2013 г).

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций: подтверждается значительным объемом натурных и аналитических исследований, применением численного моделирования напряженно-деформированного состояния массива методом конечных элементов, высокой сходимостью результатов численных расчетов с данными натурных наблюдений, положительными результатами внедрения рекомендаций по обеспечению устойчивости выработок под защитным перекрытием.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференции молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (2011 г.); на конференции «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (Москва, 2010 г.), «Современные проблемы геомеханики, геотехнологии, маркшейдерии и геодезии при разработке месторождений полезных ископаемых и освоении подземного пространства» (СГТГГУ, 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и их решения» (Воркута, 2012, 2013 г.); заседаниях научно-технического совета по работе с аспирантами и получили одобрение.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы для разработки рекомендаций по выбору параметров сечения и крепи горных выработок под защитным перекрытием при отработке запасов

богатых железных руд на Яковлевском руднике, ООО «МЕТАЛЛ-ГРУПП». Научные и практические результаты исследования использованы при выполнении хоздоговорных научно-исследовательских работ в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований, сборе данных по объекту исследования и анализе научной литературы, формулировке защищаемых положений, проведении натурных наблюдений за состоянием выработок, пройденных под защитным перекрытием Яковлевского рудника, обработке и анализе натурных данных, создании конечно-элементных моделей для исследования особенностей формирования напряженно-деформированного состояния рудного массива вокруг выработок, проводимых под защитным перекрытием, разработке практических рекомендаций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 4 работы в изданиях, входящих в Перечень ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 103 наименований, 61 рисунка и 24 таблицы.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Геологические и гидрогеологические условия Яковлевского месторождения богатых железных руд

Яковлевское железорудное месторождение расположено в Белгородской области на территории Яковлевского района в 40 км к северо-западу от г. Белгород. По разведанным запасам руд и их качеству месторождение является уникальным среди открытых и эксплуатируемых в настоящее время месторождений железной руды в мире, запасы руды достигают 9,6 млрд. тонн, содержание железа до 69%, вредных примесей (сера, фосфор) до 0,1%. Яковлевское месторождение, как и другие месторождения КМА, характеризуется весьма сложными гидрогеологическими и инженерно-геологическими условиями, в соответствии с Классификацией запасов месторождений твердых полезных ископаемых отнесено ко второй группе сложности [1].

В этом же районе, кроме Яковлевского, находится еще восемь месторождений КМА, наименование и расположение которых приведено на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1- Схема Белгородского железорудного района 1 - Верхопенсоке; 2 - Новоселовское; 3 - Ольховатское; 4 - Яковлевское; 5 -Лучинско-Гостищевское; 6 - Щелоковское; 7 - Шебекинское; 8 -Прохоровское; 9 - Корочанско-Болшетроицкое

Яковлевское месторождение охватывает Яковлевскую и Покровскую железорудные залежи, располагающиеся с севера-запада на юго-восток на расстоянии от 800 до 4500 м друг от друга. В структурном отношении месторождение представляет собой синклинальную складку, к западному крылу которой приурочена Яковлевская полоса железистых кварцитов. Общая протяженность синклинали превышает 70 км, ширина ее в пределах детально разведанного участка по выходам железистых кварцитов от 1,2 км до 1,6 км [2,3].

В геологическом строении месторождения принимают участие два резко различных генетических комплекса пород, образующих два структурных этажа: докембрийский кристаллический фундамент и перекрывающая его толща осадочных пород фанерозоя. Кристаллические породы представлены плагиогранитами архея и метаморфическими породами протерозоя - сланцами, железистыми кварцитами, филлитовыми сланцами [4].

По данным геологоразведочных работ на площади Яковлевскош месторождения породы кристаллического фундамента, с которым связаны богатые железные руды, залегают под покровом осадочной толщи на глубине 470 - 550 м. Непосредственной кровлей руд являются известняки нижнекаменноугольного возраста, мощность которых изменяется от 10 м до 50 м. Общее простирание основной структуры месторождения северо-западное - 320°. В большинстве случаев угол падения пород, слагающих месторождение, в пределах шахтного поля варьируется в пределах от 60° до 70° на северо-восток [5].

Вертикальная мощность рудной залежи варьируется в широком диапазоне и изменяется от 20 до 50 м вблизи лежачего бока, в средней части до 100-200 м, у висячего бока возрастает до 350-400 м. Ширина залежей изменяется в пределах от 200 до 600 м [6,

7].

Висячий бок месторождения слагают филлитовидные кварц-серицитовые, хлорито-серицитовые сланцы, лежачий бок - отложения песчаниково-сланцевой свиты. В лежачем боку месторождения располагается обширное поле плагиогранитов.

На Яковлевском месторождении, как и на других месторождениях КМА, выделяются два генетических типа богатых железных руд: коренные или элювиальные (остаточные)- продукты латеритного выветривания железистых кварцитов различных типов и переотложенные (осадочные) руды- продукты размыва и переотложения коренных руд. Переотложенные руды имеют подчинённое значение и составляют около 3-5% от общих запасов [2, 7].

По минералогическому составу в пределах участка первоочередной отработки выделяются следующие типы руд:

- железнослюдково-мартитовые и мартит-железнослюдковые рыхлые

руды;

-железнослюдково-мартитовые хлоритизированные и карбонатизиро-ванные руды;

- гидрогематит-мартитовые и гетит-гидрогематитовые полурыхлые руды;

- карбонатизированные руды.

Каждый из этих типов руд приурочен к соответствующему типу железистых кварцитов, что предопределяет их пространственную обособленность.

На месторождении коренные руды представлены, в основном, рыхлыми тонкопористыми разностями железнослюдкового и железнослюдково-мартитового состава, на долю которых приходится около 59,5% от общих запасов. Руды обладают хар