Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геомеханическое обоснование устойчивости подготовительных выработок при подземной разработке прибортовых запасов карьеров

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

Автореферат диссертации по теме "Геомеханическое обоснование устойчивости подготовительных выработок при подземной разработке прибортовых запасов карьеров"

На правах рукописи 005059463

КУРАНОВ Антон Дмитриевич

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ ПРИБОРТОВЫХ ЗАПАСОВ КАРЬЕРОВ (НА ПРИМЕРЕ ОАО «АПАТИТ»)

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение

горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 г:-"?

Санкт-Петербург - 2013

005059463

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

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Протосеня Анатолий Григорьевич

Официальные оппоненты:

Ковалев Олег Владимирович доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра разработки месторождений полезных ископаемых, профессор

Ковтун Николай Викторович кандидат технических наук, ООО «СПб-Гипрошахт», заместитель главного инженера проектов

Ведущая организация - ООО «Институт Гипроникель»

Защита состоится 31 мая 2013 г. в 16 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, д. 2, ауд. 1166.

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

Автореферат разослан 30 апреля 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ А*/ СИДОРОВ

диссертационного совета Дмитрий Владимирович

деформированного состояния конструктивных элементов систем ГазрГотГ- междукамерных целиков, охранных целиков и потоло-Гн под даом «а. При этом, большая часть исследовании выполнялась как прав^о, методами, реализующими плоско-деформТцио11иую постановку задачи. Также изучались изменения Гизико Механических свойств пород в приборном массиве. При этом с позиций Обеспечения устойчивости подготовительных выработок проблема геомеханически безопасного использования комбинированной геотехнологии практически не рассматривалась.

Р Цель работы. Обеспечение устойчивости подготовительных выработок при отработке прибортовых запасов карьеров Восточного руд„ика^АО«Апатит>>Вь1бор ^^ тмюв и етров

крепей подземных подготовительных выработок при кодированном открыто-подземном способе разработки производится на основе прогноза их устойчивости, базирующегося на результатах

численного моделирования, с учетом особенностей перераспределе-Гя компонентов гравитационно-тектонического поля напряжении в

прибортовом массиве.

Основные задачи исследовании:

- проведение натурных наблюдений за проявлениями горного давления и устойчивостью подготовительных выработок на руд-

тОАпр"ие численных экспериментов по исследованию параметров полей напряжений в прибортовом массиве при комби-"ировшшой разработке месторождения открыто-подземным способОМ'' - анализ напряженно-деформированного состояния массива вокруг подготовительных выработок, расположенных в зоне совокупного влияния карьера и подземных очистных работ;

- обоснование выбора рациональных типов и параметров крепей подготовительных выработок, расположенных в приборто-

вом массиве карьера.

Методы исследований. При выполнении работы использовалась комплексная методика исследований, включающая анализ

литературных источников, опыта комбинированной открыто-подземной разработки месторождений полезных ископаемых, материалов геологической разведки месторождений Восточного рудника ОАО «Апатит», натурные наблюдения за устойчивостью выработок апатитовых рудников, численное моделирование геомеханических процессов в прибортовом массиве.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

- установлены закономерности перераспределения напряжений в приконтурной области карьера, расположенного в высоконапряженном массиве, которые используются для установления граничных и начальных условий численного моделирования локальных участков подземного рудника;

- выявлены закономерности изменения параметров напряженно-деформированного состояния массива вокруг подготовительных выработок и напряжений в элементах крепи в зависимости от их положения относительно борта карьера, которые используются при обосновании рациональных типов и параметров крепей выработок.

Основные защищаемые положения:

1. Трехмерная численная модель прогноза напряженно-деформированного состояния прибортового массива, вмещающего подготовительные выработки, должна учитывать его структурную неоднородность, параметры системы подземной разработки, а кроме того, особенности перераспределения компонентов гравитационно-тектонического поля напряжений в прибортовом массиве.

2. Напряжения в массиве вокруг выработок, проводимых в зоне влияния борта карьера при открыто-подземной разработке месторождения, главным образом зависят от расстояния между выработкой и бортом карьера и сформировавшегося после постановки бортов в конечное положение поля напряжений, параметры которого определяются с учетом размеров карьера и гравитационно-тектонического поля напряжений нетронутого массива.

3. Обоснование типов и расчет параметров крепей подготовительных выработок при отработке прибортовых запасов системами разработки с подэтажным обрушением должны осуществляться

по методике учитывающей особенности формирования зон концен-™аций и р"'грузки от напряжений, в зависимости от положения выработок относительно борта карьера.

Практическая значимость работы:

- Разработана методика расчета параметров напряжено-деформированного состояния массива вокруг подготовительных вы-„аКгггпк находящихся в зоне влияния карьера.

РабОТ°К:Н Основаны рациональные типы и параметры крепей подготовительных выработок с учетом совокупного влияния карье-па подземных очистных работ и тектонического поля напряжении. ра, £ обоснованность научных положении,

выводов и рекомендаций, подтверждается значительным объемом наблюдений за состоянием крепи и породных обнажении Т^Г^Т^, исследованием прочности образцов вмеща-

юГх пород, моделированием напряженно-деформированного со-

стояшга массива^вокруг выработок методом

также согласованностью результатов расчета с данными натурных исследований^ Основные положения и результаты ис-

следований освещались на научно-практических конференциях Международном форуме-конкурсе «Проблемы недропользования» ^ ^нкт П^геРбург 2012 г.), ежегодных конференциях студентов и молодых ^НЫХ «Полезные ископаемые России и их освоение» Гг сГнет-Петербург, 2010-2012 г.г.), Международной научно-конференции «Освоение минеральных ресурсов севе-

па- проблемы и их решения» (г. Воркута, 2010, 2012 г.г.). Р Реализация результатов работы. Решение отдельных во-

просов по теме диссертации выполнялось в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры ин-ГваГонной России» на 2009-2013 годы. Диссертант являлся руко-водетелем проекта 14.132.21.1818 «Создание теоретических основ геомеханически безопасной разработки рудных месторождении комбинированным открыто-подземным способом». КОМ Результаты проведенных исследований вошли составной частью в раздел по обеспечению устойчивости подземных выработок

«Технологического регламента отработки запасов Коашвинского месторождения апатит-нефелиновых руд», разработанного в Научном центре геомеханики и проблем горного производства Горного университета в 2012 г.

Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований; в выполнении лабораторных испытаний образцов горных пород и обработке их результатов; проведении натурных исследований за устойчивостью горных выработок на рудниках ОАО «Апатит»; в разработке конечно-элементных моделей; выполнении численных экспериментов и анализе полученных результатов; в разработке практических рекомендаций по обеспечению устойчивости подготовительных выработок в прибортовом массиве карьера.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России - 4 статьи.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 174 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 96 наименований, включает 111 рисунков, 38 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 выполнен анализ горно-геологических условий апатит-нефелиновых месторождений Восточного рудника ОАО «Апатит», методов определения параметров напряженно-деформированного состояния прибортовых массивов и оценки устойчивости обнажений. Сформулированы цель и задачи исследований.

В главе 2 представлены результаты исследования физико-механических свойств пород прибортового массива в лабораторных условиях и обследования выработок в зоне влияния карьера.

В главе 3 представлены результаты моделирования напряженно-деформированного состояния прибортового массива, вмещающего подготовительные выработки с учетом влияния гравитационно-тектонического поля напряжений и параметров ведения очистных работ.

в главе 4 изучены особенности работы крепей подготовительных выработок в зоне влияния карьера и очистных работ, а так-Г даны рекомендации по выбору мероприятий, обеспечивающих

УСТОЙЧ^иы^аты исследований отражены в следующих

защищаемых положениях:

1 Трехмерная численная модель прогноза папряженно-леАормированного состояния приборного массива, вмещающего подготовительные выработки, должна учитывать его структурную неоднородность, параметры системы подземной пазработки, а кроме того, особенности перераспределения кои-

п^ентов гравитационно-тектонического поля напряжении в

прибортовом массиве.

При разработке приборных запасов карьеров подземным способом значительное количество запасов отрабатывается в непо-спелственной близости от борта карьера. При этом, в массиве, вме-щ« подготовительные выработки, действует поле напряжении, Хмирошвшееся посредством пространственного перераспределения гравитационной и тектонической составляющих после поста-НППКИ боота в конечное положение.

т£«ш образом, прогноз напряженного состояния массива вокруг подготовительных выработок при разработке прибортовых запасов должен начинаться с определения параметров поля напряжений в прибортовом массиве до начала подземных работ - после "ановки бортов в конечное положение. Для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород с учетом взаи-мов^ния карьера и системы подготовительных выработок была разра^гана трехмерная конечно-элементная модель Коашвинского кГрьера Глубина карьера принималась равной 490 м, размеры карьера в плане 1500 х 3500 м. При этом размеры модели составили 25000 х 25000 х 2000 м, при минимальном линейном размере конечного элемента в области сгущения сетки 40 м, общее число элементов в модели составило более 4,5 млн. Массив задавался как однородный, изотропный, линейно деформируемый, весомый материал с

модулем упругости Е = 50000 МПа, коэффициентом Пуассона у = 0,27, удельным весом г = 0,03 МН/м3. Величина модуля упругости задавалась с учетом изменения деформационных свойств приборто-вого массива вследствие ведения открытых горных работ. Граничные условия задавались в соответствии с расчетной схемой, приведенной на рисунке 1, а. Компоненты тектонического поля напряжении, значения которых были получены по результатам анализа нормативной и научной литературы для условий отработки Восточного рудника ОАО «Апатит», задавались в соответствии с данными представленными в таблице 1. '

„ Полученные по результатам моделирования эпюры напряжений позволяют заключить, что карьер вызывает перераспределение напряжений и формирование зон разгрузки по компоненте, перпендикулярной к поверхности борта, зон концентрации горизонтальных напряжений в борту карьера по компоненте, параллельной поверхности борта, а также приводит к возникновению концентрации горизонтальных напряжений в донной части карьера, что подтверждается существующими исследованиями. При этом, следует отметить, что зоны разгрузки формируются в прибортовом массиве вдоль продольной оси карьера - по направлению действия максимальной компоненты тектонических напряжений, в двух других бортах формируются зоны концентрации напряжений. Наиболее показательным является распределение главных максимальных напряжений о, (рисунок 1, б).

Для разработки локальных моделей подготовительных выработок, камер или очистных блоков, расположенных в прибортовом массиве карьера вне зоны влияния тектонических нарушений при средней величине результирующего угла наклона борта карьера 35° была построена номограмма (рисунок 1, в) с учетом глубины их заложения и расстояния до борта карьера.

Таким образом, на данном этапе исследований были получены исходные данные для моделирования подготовительных выработок в прибортовом массиве карьера.

- общий вид модели; в)

Рисунок 2 - Разработка трехмерной конечно - элементной модели очистного блока: а) - общий вид анализируемой системы и параметры блока; б)

фрагмент сетки конечных элементов в анализируемой области; г) - принципиальная расчетная схема

рассматриваемый блок

борт карьера

_блок

обрушенные породы рудное тело г)

ключить, что карьер оказывает значительное влияние на их перераспределение. В первую очередь, качественно меняется характер распределения напряжений вокруг выработок, проводимых параллельно бортам карьера. Графики изменения тангенциальных напряжений в анализируемых точках А, В, С (рисунок 3, а) в боку выработки третьего подэтажа по этапам расчета приведены на рисунке 3, б. Количественно меняются параметры напряжений на контуре выработок, проводимых по направлению к борту карьера. На рисунке 3, в приведены графики изменения тангенциальных напряжений в анализируемых точках Б, Е, Б (рисунок 3, а) в кровле выработок третьего подэтажа по этапам расчета.

Установленные особенности позволяют заключить, что кроме прочих факторов, при определении параметров напряженного состояния массивов вокруг выработок, необходимо учитывать перераспределение компонентов гравитационно-тектонического поля напряжений в прибортовом массиве.

2. Напряжения в массиве вокруг выработок, проводимых в зоне влияния борта карьера при открыто-подземной разработке месторождения, главным образом зависят от расстояния меяеду выработкой и бортом карьера и сформировавшегося после постановки бортов в конечное положение поля напряжений, параметры которого определяются с учетом размеров карьера и гравитационно-тектонического поля напряжений нетронутого массива.

Анализ данных натурных наблюдений за устойчивостью выработок, проводимых в прибортовой зоне показывает, что отмечаются случаи несимметричного вывалообразования в выработках, пройденных параллельно борту карьера.

Для изучения характера и степени влияния борта карьера на выработки разработан ряд плоских конечно-элементных моделей. На рисунке 4 представлена схема модели для определения зоны влияния борта карьера на подготовительные выработки по степени асимметричного распределения напряжений на контуре выработки.

І І І

І І

По результатам моделирования можно сделать вывод о качественных особенностях работы крепей выработок в зоне влияния карьера Установленные асимметричные распределения тангенциальных напряжений по контуру выработок в зоне влияния карьера формировали неравномерную нагрузку на крепи. При этом в набрызгбетонном покрытии выработок, расположенных в установ-

Рисунок 7 - Рассматриваемый вариант отработки подэтажа для исследования работы крепей в зоне влияния карьера

Этап расчета

Рисунок 8 - Напряжения в анкерах выработки 12 (по рисунку 7) модели, а.^- обозначение анкера в модели

і

ленной области концентрации напряжений при ведении очистных работ, формировались значительные растягивающие напряжения что указывает на вероятность отслаивания и разрушения набрызгбе-тона. Распределение напряжений в анкерах также крайне неравномерно. Наибольшие напряжения в крепях отмечаются в боках выработок со стороны массива, а под влиянием очистных работ их значения увеличиваются. В анкерах, установленных в кровле и боках

выработки со стороны карьера отмечаются низкие значения напряжении.

* 2 Этапы расчета 3 4

Рисунок 9 - Изменение максимальных растягивающих напряжений в набрызгбе-тоне; 5.. 12 номера выработок модели

Выявленные особенности распределения напряжений необходимо учитывать при выборе и расчете параметров крепи вырабоТОК.

С использованием представленных результатов в диссертационной работе развит критерий оценки устойчивости выработки предложенный В.Л. Трушко, О.В. Тимофеевым, для прогноза степени ожидаемого разрушения пород на контуре выработки:

оккк\кгкз

N--

(1)

где N - показатель напряженности массива; а - напряжение в массиве по заданному направлению, МПа; Ясж - предельное сопротивление породы, равное пределу прочности образца на одноосное сжатие при кратковременном нагружении, МПа; кк - коэффициент концентрации напряжений в прибортовом массиве; к\ - коэффициент концентрации напряжений вследствие проходки данной выработки; к2 -коэффициент изменения напряжений в результате влияния других выработок; - коэффициент изменения напряжений в результате влияния очистных работ; Кс - коэффициент структурного ослабления массива; Ку - коэффициент упрочнения массива пород.

На основании расчета показателя устойчивости массива в таблице 4 приведены рекомендуемые типы и параметры крепей выработок в прибортовом массиве карьера.

Таблица 4 - Рекомендуемые типы и параметры крепей выработок

Категория и состояние устойчивости пород Типы крепей

N < 0,5 I категория - вполне устойчивые Постоянная крепь не требуется. Набрызгбетонная крепь в местах локального вывалообразования толщиной до 3 см.

N = 0,5 -ь 1,2 II категория - устойчивые Железобетонные штанги длиной 1,8 м с расстановкой по сетке от 0,9x0,9 м до 1,1 х 1,1

N = 1,2 ^ 2,0 III категория — средней устойчивости Железобетонные штанги длиной 1,8 м с расстановкой по сетке от 0,7x0,7 м до 1,0х 1,0; возможно применение металлической сетки с ячейкой не более 10x10 см либо набрызгбетона толщиной до 3 см

N — 2,0 + 4,0 IV категория - неустойчивые Комбинированная анкерная крепь из железобетонных штанг длиной 1,8 м с расстановкой по сетке 0,7x0,7 -0,8x0,8 м, металлическая сетка с ячейкой не более 10x10 см, торкретбетон толщиной не менее 3 см

N >4 V категория - весьма неустойчивые Металлическая арочная крепь СВП-22, СВП-27 со сварной металлической решетчатой затяжкой и забутовкой закрепного пространства. Применение предохранительной крепи. Расстояние между арками 0,5-0,75 м. Межрамные стяжки. Применение опережающей крепи.

По результатам расчета показателя напряженности массива, можно сделать выводы о том, что в зоне влияния карьера категория

17

устойчивости выработок понижается. Если в среднем по блоку преобладает вторая категория устойчивости, в зоне влияния карьера она становится третьей или четвертой. Подобная картина наблюдается на участках сопряжений выработок и в зоне влияния очистных работ. Таким образом, для обеспечения безопасности ведения работ, вид и параметры крепи выработок, проводимых в зоне влияния карьера, следует менять в сторону усиления в соответствии с Ш-1У категорией устойчивости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно - квалификационную работу, в которой предлагается новое решение актуальной для ОАО «Апатит» задачи геомеханического обоснования устойчивости подготовительных выработок при подземной разработке прибортовых запасов карьеров Восточного рудника.

Основные результаты выполненных исследований:

1. Разработана трехмерная конечно-элементная модель прогноза напряженно-деформированного состояния прибортового массива карьера, вмещающего очистной блок. Модель отличается учетом сложного характера перераспределения компонент гравитационно-тектонического поля напряжений в прибортовом массиве после постановки бортов в конечное положение. При этом параметры этого поля определены предварительным моделированием всего карьера с учетом его размеров и наличия разновеликих компонент тектонического поля напряжений.

2. Исследования напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок на трехмерных моделях позволили выявить особенности напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок в зоне влияния карьера, заключающиеся в повышенной концентрации сжимающих напряжений в кровле выработок, проводимых перпендикулярно борту карьера и максимальной компоненте тектонических напряжений, а также асимметричность распределения тангенциальных напряжений по контуру выработок,

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Куранов, Антон Дмитриевич, Санкт-Петербург

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ГОРНЫЙ»

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ ПРИБОРТОВЫХ ЗАПАСОВ КАРЬЕРОВ (НА ПРИМЕРЕ ОАО «АПАТИТ»)

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

На правах рукописи

04201358652

КУРАНОВ АНТОН ДМИТРИЕВИЧ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор А.Г. Протосеня

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

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

1.1 ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ И ДАННЫХ ПРАКТИКИ ПО ТЕМЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ..............................................................................................................................9

1.1.1 Общие сведения о комбинированной разработке рудных месторождений....................9

1.1.2 Современные представления о геомеханических процессах в массиве при комбинированной отработке месторождений...........................................................................17

1.2 ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ И ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОТРАБОТКИ

МЕСТОРОЖДЕНИЙ ВОСТОЧНОГО РУДНИКА ОАО «АПАТИТ».........................................20

1.2.1 Геологическое строение.....................................................................................................20

1.2.2 Горнотехнические условия отработки..............................................................................24

1.3 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗУЧЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО

СОСТОЯНИЯ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД............................................................................31

1.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................42

ГЛАВА 2 НАТУРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА СОСТОЯНИЕМ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК В ПРИБОРТОВОМ МАССИВЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОРОД............................................................................................45

2.1 НАТУРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА СОСТОЯНИЕМ ВЫРАБОТОК.......................................45

2.2 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОАВНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОРОД ПРИБОРТОВЫХ МАССИВОВ РУДНИКОВ ОАО «АПАТИТ».................................................56

2.2.1 Методика проведения лабораторных исследований физико-механических свойств горных пород................................................................................................................................56

2.2.2 Результаты лабораторных испытаний...............................................................................64

2.3 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.............................................................................................................73

ГЛАВА 3 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ ПРИБОРТОВЫХ ЗАПАСОВ КАРЬЕРОВ ВОСТОЧНОГО РУДНИКА ОАО «АПАТИТ»...........................................................................................................................................74

3.1 МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРИБОРТОВОМ

МАССИВЕ КАРЬЕРА ДО НАЧАЛА ОТРАБОТКИ ПРИБОРТОВЫХ ЗАПАСОВ...................74

3.1.1 Общие сведения об объекте исследования......................................................................74

3.1.2 Постановка задачи, обоснование граничных условий моделирования и исходных данных...........................................................................................................................................77

3.1.3 Анализ напряженно-деформированного состояния прибортового массива карьера с учетом тектонических напряжений на примере Коашвинского карьера...............................82

3.2 РАЗРАБОТКА ПРОГНОЗНОЙ ЧИСЛЕННОЙ ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ МАССИВА,

ВМЕЩАЮЩЕГО ОЧИСТНОЙ БЛОК ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПРИБОРТОВЫХ ЗАПАСОВ.....94

3.2.1 Общие сведения об объекте исследования.......................................................................94

3.2.2 Постановка задачи, обоснование граничных и начальных условий моделирования... 95

и 1IVV и^пи ир 1 иошл ошхи^ии ............................................................

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРИБ0РТ0В1

ОТРАБОТКЕ ПРИБОРТОВЫХ ЗАПАСОВ.................................

гнно-деформированного состояния прибортового масс!

$ыработки ........................................................................................

^-деформированного состояния массива вокруг выработок в з ых работ...........................................................................................

РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ УСТОЙЧИВОС

X В ПРИБОРТОВЫХ МАССИВАХ КАРЬЕРОВ......................

>ЕПЕЙ ВЫРАБОТОК, НАХОДЯЩИХСЯ В ЗОНЕ ВЛИЯН

ГНЫХ РАБОТ..................................................................................

Список литературы

163 165

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. В мире насчитывается более двух тысяч месторождений, разрабатываемых комбинированным способом. Только за последние 10 лет их количество увеличилось практически в 1,5 раза, что связано с достижением карьерами запредельных глубин и возможностью отработки запасов глубоких горизонтов только подземным способом. Это подчеркивает необходимость изыскания новых технических и технологических решений для полной отработки прибортовых и подкарьерных запасов рудных месторождений. По анализу области использования комбинированной геотехнологии в мире, можно отметить, что наибольшее распространение она получила при разработке рудных месторождений. Комбинированные способы используются при разработке рудных месторождений с различными инженерно-геологическими и горногеологическими условиями. Это обстоятельство указывает на целесообразность рассмотрения комбинированной разработки пологопадающих месторождений высоконапряженных руд на примере апатит-нефелиновых месторождений Кольского полуострова.

ОАО «Апатит» активно ведет отработку запасов апатит-нефелиновых руд комбинированным открыто-подземным способом. Актуальность решения проблем разработки объясняется необходимостью перехода рудников на подземную разработку запасов, ввиду технологической невозможности дальнейшей разработки месторождений открытым способом и целесообразностью дальнейшего извлечения апатит-нефелиновых руд.

Сложный характер влияния борта на проходческие и очистные работы в прибортовой части карьера, наличие других значимых факторов (тектоника, наличие зон окисленных пород, в том числе неоднородность борта карьера), требуют комплексного подхода к решению задачи обеспечения устойчивости подземных подготовительных выработок.

Наибольший вклад в исследование геомеханических процессов при комбинированной разработке рудных месторождений внесли такие ученые, как

Д.Р. Каплунов, A.A. Козырев, В.Н. Калмыков, Э.В. Каспарян, B.C. Свинин, В.В. Рыбин, М.В. Рыльникова, Д.М. Казикаев, и др. Обеспечению устойчивости выработок, проводимых в прочных высоконапряженных массивах, посвящены работы А.Г. Протосени, B.JI. Трушко, Ю.Н. Огородникова, И.Ю. Рассказова, О.В. Тимофеева, М.В. Корнилкова, В.В. Зубкова, О.В. Ковалева, A.A. Еременко, Н.С. Булычева, H.H. Фотиевой, Г.Г. Мирзаева и других ученых.

Основная направленность существующих исследований заключалась в определении особенностей напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов систем разработки - междукамерных целиков, охранных целиков и потолочин под дном карьера. При этом большая часть исследований выполнялась, как правило, методами, реализующими плоско-деформационную постановку задачи. Также изучались изменения физико-механических свойств пород в прибортовом массиве. При этом с позиций обеспечения устойчивости подготовительных выработок проблема геомеханически безопасного использования комбинированной геотехнологии практически не рассматривалась.

Цель диссертационной работы: обеспечение устойчивости подготовительных выработок при отработке прибортовых запасов карьеров Восточного рудника ОАО «Апатит».

Идея работы: выбор рациональных типов и параметров крепей подготовительных выработок при комбинированном открыто-подземном способе разработки производится на основе прогноза их устойчивости, базирующегося на результатах численного моделирования, с учетом особенностей перераспределения компонентов гравитационно-тектонического поля напряжений в прибортовом массиве.

Основные задачи диссертационной работы:

- проведение натурных наблюдений за проявлениями горного давления и устойчивостью подготовительных выработок на рудниках ОАО «Апатит»;

- проведение численных экспериментов по исследованию параметров полей напряжений в прибортовом массиве при комбинированной разработке месторождения открыто-подземным способом;

- анализ напряженно-деформированного состояния массива вокруг подготовительных выработок, расположенных в зоне совокупного влияния карьера и подземных очистных работ;

- обоснование выбора рациональных типов и параметров крепей подготовительных выработок, расположенных в прибортовом массиве карьера.

Методы исследований. При выполнении работы использовалась комплексная методика исследований, включающая анализ литературных источников, опыта комбинированной открыто-подземной разработки месторождений полезных ископаемых, материалов геологической разведки месторождений Восточного рудника ОАО «Апатит», натурные наблюдения за устойчивостью выработок апатитовых рудников, численное моделирование геомеханических процессов в прибортовом массиве.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

- установлены закономерности перераспределения напряжений в приконтурной области карьера, расположенного в высоконапряженном массиве, которые используются для установления граничных и начальных условий численного моделирования локальных участков подземного рудника;

выявлены закономерности изменения параметров напряженно-деформированного состояния массива вокруг подготовительных выработок и напряжений в элементах крепи в зависимости от их положения относительно борта карьера, которые используются при обосновании рациональных типов и параметров крепей выработок.

Положения, выносимые на защиту:

1. Трехмерная численная модель прогноза напряженно-деформированного состояния прибортового массива, вмещающего подготовительные выработки, должна учитывать его структурную неоднородность, параметры системы подземной разработки, а кроме того, особенности перераспределения компонентов гравитационно-тектонического поля напряжений в прибортовом массиве.

2. Напряжения в массиве вокруг выработок, проводимых в зоне влияния борта карьера при открыто-подземной разработке месторождения, главным образом зависят от расстояния между выработкой и бортом карьера и сформировавшегося после постановки бортов в конечное положение поля напряжений, параметры которого определяются с учетом размеров карьера и гравитационно-тектонического поля напряжений нетронутого массива.

3. Обоснование типов и расчет параметров крепей подготовительных выработок при отработке прибортовых запасов системами разработки с подэтажным обрушением должны осуществляться по методике, учитывающей особенности формирования зон концентраций и разгрузки от напряжений, в зависимости от положения выработок относительно борта карьера.

Практическая значимость работы. Разработана методика расчета параметров напряжено-деформированного состояния массива вокруг подготовительных выработок, находящихся в зоне влияния карьера.

Обоснованы рациональные типы и параметры крепей подготовительных выработок с учетом совокупного влияния карьера, подземных очистных работ и тектонического поля напряжений.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, подтверждается значительным объемом натурных наблюдений за состоянием крепи и породных обнажений в зоне влияния карьера, исследованием прочности образцов вмещающих пород, моделированием напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок методом конечных элементов, а также согласованностью результатов расчета с данными натурных исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований освещались на научно-практических конференциях: Международном форуме-конкурсе «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2012 г), ежегодных конференциях студентов и молодых учёных «Полезные ископаемые России и их освоение» (г. Санкт-Петербург, 2010-2012 гг.), Международной научно-

практической конференции «Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и их решения» (г. Воркута, 2010, 2012 гг.).

Реализация результатов работы. Решение отдельных вопросов по теме диссертации выполнялись в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Диссертант являлся руководителем проекта 14.132.21.1818 «Создание теоретических основ геомеханически безопасной разработки рудных месторождений комбинированным открыто-подземным способом»

Результаты проведенных исследований вошли составной частью в раздел по обеспечению устойчивости подземных выработок «Технологического регламента отработки запасов Коашвинского месторождения апатит-нефелиновых руд», разработанного в Научном центре геомеханики и проблем горного производства Горного университета в 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России - 4 статьи.

Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований; в выполнении лабораторных испытаний образцов горных пород и обработке их результатов; проведении натурных исследований за устойчивостью горных выработок на рудниках ОАО «Апатит»; в разработке конечно-элементных моделей; выполнении численных экспериментов и анализе полученных результатов; в разработке практических рекомендаций по обеспечению устойчивости подготовительных выработок в прибортовом массиве карьера.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 174 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 96 наименований, включает 111 рисунков, 38 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, доктору технических наук А.Г. Протосене за помощь и поддержку на всех этапах работы.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ И ДАННЫХ ПРАКТИКИ

ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1.1 Общие сведения о комбинированной разработке рудных месторождений

В мировой практике разработки месторождений твердых полезных ископаемых все большее применение находит комбинированная разработка, предусматривающая ведение на одном месторождении открытых и подземных горных работ. В мире насчитывается более двух тысяч месторождений, разрабатываемых комбинированным способом. За последние годы их количество значительно увеличилось, что связано с достижением карьерами запредельных глубин и возможностью отработки запасов глубоких горизонтов только подземным способом.

Для более четкого представления об особенностях поставленной задачи целесообразно уточнить терминологию и классификацию категорий запасов при использовании комбинированной геотехнологии. Необходимость совершенствования терминологии комбинированной способа разработки месторождений привела к созданию большого числа классификаций комбинированных систем разработки. На сегодняшний день известны классификации Б.П. Юматова (1964 г.), A.A. Вовк и Г.И. Черного (1965), Д.М.Казикаева (1967 г.), В.А. Щелканова (1974), Т.М. Мухтарова (1998), Д. Р. Каплунова, В.Н. Калмыкова и М.В.Рыльниковой (2001) [1-10]. В разное время над совершенствованием классификаций комбинированных систем работали В.В. Куликов, Э.Ю. Мещеряков, М.Ф. Шнайдер, В.К. Вороненко. Следует отметить, что упоминания о комбинированных системах разработки встречаются и в более ранней литературе, в частности в работах М.И. Агошкова (1950-е гг.). Эти работы посвящены повторной разработке месторождений и отработкой системой открытых воронок.

Анализ упомянутых классификаций позволяет установить прямую связь между усложнением этих классификаций и развитием горно-добывающего комплекса в целом. Так, если Б.П. Юматов использовал один классификационный признак для разделения комбинированных систем, и выделял три их группы, то

классификация, разработанная Д. Р. Каплуновым, В.Н. Калмыковым и М.В.Рыльниковой включает восемь классификационных признаков. Тем не менее, классификация Б.П.Юматова служит основой для многих других классификаций и актуальна на сегодняшний день [1]. Он разделил все способы разработки на три группы по принципу совмещения открытых и подземных работ:

- открытые работы с переходом на подземные;

- подземные работы с переходом на открытые;

- одновременно открытые и подземные работы.

Следующая наиболее значимая классификация комбинированных систем разработки принадлежит В.А.Щелканову, который конкретизировал существующую на то время терминологию, введя количественные показатели, характеризующие степень совмещения работ во времени, в пространстве и степень технологической взаимосвязи горных работ [2]. При этом использовались следую