Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геомеханическое обоснование устойчивости выработок при отработке подкарьерных запасов рудных месторождений

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

Автореферат диссертации по теме "Геомеханическое обоснование устойчивости выработок при отработке подкарьерных запасов рудных месторождений"

На правах рукописи

ШОКОВ Анатолий Николаевич

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ВЫРАБОТОК ПРИ ОТРАБОТКЕ ПОДКАРЬЕРНЫХ ЗАПАСОВ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ (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

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2014 005551875

005551875

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Анатолий Григорьевич Протосеня

Официальные оппоненты:

Панкратенко Александр Никитович доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Горный институт (МГИ), кафедра строительства подземных сооружений и шахт, профессор

Лебедев Михаил Олегович кандидат технических наук, ОАО НИПИИ «Ленметро-гипротранс», заведующий лабораторией геомеханических исследований

Ведущая организация - ООО «Институт Гипроникель».

Защита состоится 27 июня 2014 г. в 17 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, д. 2, ауд. №1166.

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

Автореферат разослан 25 апреля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

СИДОРОВ

Дмитрий Владимирович

Актуальность работы.

В настоящее время Восточный рудник ОАО «Апатит» ведет отработку запасов апатит-нефелиновых руд Коашвинского и Ньюркпахкского месторождений открытым способом. В дальнейшем планируется переход на подземную разработку месторождения, поэтому большой научный и практический интерес представляют задачи, связанные с обеспечением устойчивости подготовительных выработок при отработке подкарьерных запасов.

Актуальность вышеуказанной задачи объясняется сложным характером совместного влияния карьера, проходческих и очистных подземных горных работ, а также наличием в массиве тектонических напряжений.

Для решения данной задачи необходима комплексная оценка напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива с учетом неравнокомпонентного гравитационно-тектонического поля напряжений, особенностей физико-механических и структурных свойств вмещающих пород и влияния подготовительных и очистных выработок.

Исследованием геомеханических процессов при комбинированной разработке рудных месторождений занимались такие ученые, как Д.Р. Каплунов, A.A. Козырев, Д.М. Казикаев, В.Н. Калмыков, Э.В. Каспарян, Ю.В. Демидов, Ю.В. Волков, М.В. Рыльникова, В.В. Рыбин, Т.М. Мухтаров и др. Обеспечению устойчивости выработок посвящены работы И.В. Баклашова,

A.A. Баряха, И.Ю. Рассказова, К.В. Руппенейта, Н.С. Булычева, Б.А. Картозии, А.Н. Панкратенко, В.В. Першина и др. Изучением геомеханических процессов вокруг выработок в прочных высоконапряженных массивах занимались A.A. Еременко, А.Г. Протосеня,

B.JI. Трушко, Г.Г. Мирзаев, М.В. Корнилков, В.В. Зубков, О.В. Ковалев и др.

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

Идея работы: выбор рациональных типов и параметров крепей подготовительных выработок, расположенных в подкарьерных массивах, должен производиться на основе прогноза их устойчиво-

сти, базирующегося на результатах численного моделирования с учетом особенностей перераспределения компонентов гравитационно-тектонического поля напряжений, вызванные разработкой карьера.

Основные задачи исследования:

1. Лабораторные исследования физико-механических свойств руд и вмещающих пород;

2. Проведение натурных наблюдений за проявлениями горного давления в подготовительных выработках на рудниках ОАО «Апатит»;

3. Проведение численного моделирования по исследованию параметров полей напряжений в подкарьерном массиве при комбинированной открыто-подземной разработке месторождения;

4. Разработка конечно-элементных моделей массива рудных месторождений при отработке подкарьерных запасов и установление закономерностей изменения поля напряжений;

5. Обоснование рациональных типов и параметров крепей подготовительных выработок, расположенных в подкарьерном массиве.

Методы исследований.

В работе использовалась комплексная методика исследования, включающая анализ литературных источников, опыта комбинированной открыто-подземной разработки месторождений полезных ископаемых; материалов геологической разведки месторождений Восточного рудника ОАО «Апатит»; исследование прочностных и деформационных свойств вмещающих горных пород в лабораторных условиях; натурные наблюдения за устойчивостью подготовительных выработок; численное моделирование геомеханических процессов, протекающих в подкарьерных массивах.

Научная новизна работы:

1. Установлены закономерности перераспределения гравитационно-тектонического поля напряжений в подкарьерном массиве, вызванные карьерной выемкой.

2. Выявлены закономерности изменения коэффициентов концентрации напряжений на контурах горных выработок в подкарьерном массиве в зависимости от их положения относительно дна карьера.

Защищаемые научные положения:

1. Метод прогноза пространственного напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива должен учитывать его геологическое строение, геометрические параметры карьера и естественное гравитационно-тектоническое поле напряжений.

2. Наличие карьера приводит к концентрации тангенциальных напряжений в кровле и почве горных выработок и формированию в подкарьерном массиве зоны повышенных напряжений, размеры которой достигают под его дном 320 метров, а в горизонтальном направлении - 200 метров.

3. Обоснование типов и расчет параметров крепей подготовительных выработок при отработке подкарьерных запасов должны осуществляться по методике, учитывающей, кроме других факторов, положение выработок относительно дна карьера, и для крепления выработок в породах второй, третьей и четвертой категорий устойчивости рекомендуется использовать фибронабрызгбетон.

Практическая значимость работы:

1. Разработана методика расчета параметров напряженно-деформированного состояния массива вокруг горных выработок, находящихся в зоне влияния карьера.

2. Обоснованы рациональные типы и параметры крепей подготовительных выработок, учитывающие совокупное влияние карьера и тектонического поля напряжений в массиве.

3. Разработаны рекомендации по использованию фиброна-брызгбетона для крепления выработок в сложных горнотехнических условиях.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается использованием новейшего прессового оборудования лаборатории физико-механических свойств и разрушения горных пород Научного центра геомеханики и проблем горного производства Национального минерально-сырьевого университета «Горный» при выполнении испытаний образцов горных пород; использованием реализованного в рамках сертифицированного программного комплекса для ЭВМ Simulia Abaqus современного численного метода конечных элементов; натурными наблюдениями за состоянием крепи и породных обнажений в зоне влияния карьера.

Апробация диссертации.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях: международных форумах молодых ученых «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2012, 2013 г.); ежегодных конференциях студентов и молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (г. Санкт-Петербург, 2012, 2013 г.); Международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и их решения» (г. Воркута, 2011, 2013 г.).

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

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 3 работы в изданиях, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 108 наименований, 68 рисунков и 15 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 приведены сведения о горно-геологических условиях апатит-нефелиновых месторождений Восточного рудника ОАО «Апатит», проведен анализ методов оценки устойчивости обнажений при разработке рудных месторождений. Сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 2 приведены методика и результаты лабораторных испытаний образцов горных пород, обоснованы деформационно-прочностные характеристики пород, необходимые при моделировании.

В главе 3 выполнены численное моделирование и анализ напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива, вмещающего горные выработки, с учетом влияния параметров карьера и действующего гравитационно-тектонического поля напряжений.

В главе 4 представлены анализ обследования выработок в зоне влияния карьера и результаты лабораторных испытаний фиб-робетона. Даны рекомендации по выбору мероприятий, обеспечивающих устойчивость выработок, с учетом рекомендаций по применению фибронабрызгбетона.

Основные результаты исследований отражены в защищаемых положениях.

1. Метод прогноза пространственного напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива должен учитывать его геологическое строение, геометрические параметры карьера и естественное гравитационно-тектоническое поле напряжений.

При отработке подкарьерных запасов рудных месторождений большое влияние на напряженно-деформированное состояние массива оказывает карьерная выемка. Характер влияния осложняется сложным перераспределением гравитационно-тектонического поля напряжений. На начальном этапе необходимо установить параметры поля напряжений, сформировавшегося после выхода карьера на предельный контур до начала подземных горных работ.

Для решения поставленной задачи оценки напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива использовалось численное моделирование с помощью метода конечных элементов. Для этого разработана пространственная конечно-элементная модель Коашвинского карьера Восточного рудника ОАО «Апатит» с конечной глубиной карьера 490 метров. Размеры модели составили ЗООООхЗООООхбООО м с минимальным размером конечного элемента в области сгущения сетки 30 метров.

При выполнении численного моделирования массив описывался моделью однородной, изотропной, линейно деформируемой весомой средой. Деформационные характеристики пород принимались следующими: для руд модуль упругости Е=30000 МПа, коэф-

Таблица 1 - Величина действующих тектонических напряжений

Глубина от поверхности. м Напряжения по направлению оси Ох. МПа Напряжения по направлению оси 0?. МПа

5 э 2.5

50 45 20

250 54 28

450 60 35

650 66 40

фициент Пуассона у=0,21; для вмещающих пород Е=50000 МПа, \'=0,20. Компоненты действующего тектонического поля напряжений, полученные по результатам анализа нормативной литературы для условий отработки Восточного рудника ОАО «Апатит», задавались в соответствии с данными, представленными в таблице 1. Расчетная схема, заложенная в разработанную пространственную конечно-элементную модель, представлена на рисунке 1.

Из полученных по результатам моделирования эпюр распределения напряжений следует отметить, что карьерная выемка приводит к перераспределению напряжений в подкарьерном массиве и формированию зон повышенных и пониженных напряжений. Установлено, что наибольшие изменения напряжений, вызванные карьерной выемкой, происходят в подкарьерном массиве вдоль центральной оси карьера, соответствующей придонному участку массива. Изменения коэффициентов концентрации напряжений в

Рисунок 1 - Расчетная схема модели массива Коашвинского карьера Восточного рудника ОАО «Апатит»: Тх - тектонические напряжения в направлении простирания рудного тела; Т, - тектонические напряжения в направлении вкрест простирания рудного тела; уН -гравитационная составляющая поля напряжений.

подкарьерном массиве вдоль центральной оси карьера в зависимости от расстояния до дна карьера, вызванные карьерной выемкой представлены на рисунке 2.

Значения коэффициентов концентрации горизонтальных составляющих напряжений а х и а г имеют наибольшие значения вблизи отметки дна карьера и составляют 2 и 1,4 соответственно, при этом эти напряжения формируют зону концентрации напряже-

ний на весь участок влияния карьерной выемки на подкарьерный массив. С удалением от дна карьера коэффициент концентрации постепенно уменьшается.

2.0

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Расстояние до дна карьера, м

Рисунок 2 - Изменения коэффициентов концентрации напряжений в подкарьерном массиве вдоль центральной оси в зависимости от расстояния до дна карьера, вызванные карьерной выемкой: а х - напряжения в направлении простирания рудного тела; о у - вертикальные напряжения; а г - напряжения в направлении вкрест простирания рудного тела.

В случае с коэффициентом концентрации вертикальных составляющих напряжений а у в подкарьерном массиве формируется зона пониженных напряжений, связанная со снятием гравитационной составляющей поля напряжений. При увеличении глубины значения вертикальных напряжений в подкарьерном массиве увеличиваются, и при достижении границы зоны влияния карьера, принимают значения, соответствующие полю напряжений в массиве, незатронутом карьерной выемкой массива. Зона существенного влияния карьера для всех составляющих напряжений не превышает 350 метров.

На зависимости изменения значений действующих напряжений в подкарьерном массиве (рисунок 3) заметны характерные зоны

падения напряжений в зоне влияния карьерной выемки в направлениях, как простирания, так и вкрест простирания рудного тела. При этом вертикальная компонента поля напряжений имеет выраженную зону разгрузки, исходя из чего, донную часть карьера можно охарактеризовать как массив с преобладающим действием в нем горизонтальной компоненты напряжений.

90 г------р-р----

80 -4--------в*--П--—--|--"г-

| '0 ^ ^ - « ; -

160 -------I--144--!----4-

ё о г

I 50------—¡^--------- „—

| 40---------------------------4------

5 а у

|30------------------ У-----

10 ----— =4-----------т------

о l-r\ 1111 1 Ш

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Расстояние до дна карьера, м

j

Рисунок 3 - Зависимость изменения действующих напряжений в подкарьерном массиве от расстояния до дна карьера: а х - напряжения в направлении простирания рудного тела; а у - вертикальные напряжения; а г - напряжения в направлении вкрест простирания рудного тела. f

\

Из установленных особенностей формирования напряженно- ! го состояния в подкарьерном массиве можно заключить, что метод пространственного прогноза напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива должен учитывать его геологическое строение, геометрические параметры карьера и естественное гравитационно-тектоническое поле напряжений. |

Данные по значениям действующих горизонтальных компонентов поля напряжений в диссертационной работе используются в качестве исходных данных для расчета категории устойчивости выработок, проводимых при отработке подкарьерных запасов.

>

«ч 1

о

---- — - — "*

о У

. А / - - •

- i

2. Наличие карьера приводит к концентрации тангенциальных напряжений в кровле и почве горных выработок и формированию в подкарьерном массиве зоны повышенных напряжений, размеры которой достигают под его дном 320 метров, а в горизонтальном направлении - 200 метров.

Для оценки характера и степени влияния карьерной выемки на напряженно-деформированное состояние массива вокруг горных выработок, находящихся непосредственно под дном карьера, разработан ряд плоских конечно-элементных моделей, расчетная схема которых представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Расчетная схема конечно-элементной модели карьера, вмещающего горные выработки: Тх - тектонические напряжения в направлении вкрест простирания рудного тела; уН - гравитационная составляющая поля напряжений.

Полученные по результатам моделирования эпюры распределения напряжений на контурах выработок, проводимых в подкарьерном массиве, позволяют отметить наличие зон со значительными концентрациями напряжений.

В наибольшей степени карьерная выемка оказывает влияние на концентрацию сжимающих напряжений в кровле выработок, а в наименьшей степени - в ее боках (рисунок 5).

50 100 150 200 250 300 350 400 450

Расстояние .то яка карьера, м Рисунок 5 - Изменение коэффициентов концентрации сжимающих напряжений на контурах выработок подкарьерного массива вдоль центральной оси в зависимости от расстояния от выработки до дна карьера: 1 - в кровле выработок; 2 - в почве выработок; 3 - в боках выработок.

Максимальные значения коэффициентов концентрации сжимающих напряжений на контурах выработок подкарьерного массива принимают в зонах, расположенных непосредственно под дном карьера на глубине до 50 метров, и на отклонении от вертикальной оси до 50 метров. Так, для выработки, расположенной в 50 метрах непосредственно под дном карьера, коэффициенты концентрации сжимающих напряжений составляют 1,41; 1,32; 1,05 в кровле, почве и боках выработки соответственно. По построенным изолиниям концентраций тангенциальных сжимающих напряжений (рисунок 6) определена граница зоны существенного влияния карьерной выемки на напряженно-деформированное состояние подкарьерного массива вокруг горных выработок, которая составила 320 метров непосредственно под его дном, а в горизонталь-

тангенциальных сжимающих напряжений в кровле выработок подкарьерного массива; 1 - карьер; 2 - выработка; 3 - граница зоны существенного влияния карьера.

ном направлении - 200 метров. Вокруг выработок, проводимых в подкарьерном массиве, формируется поле напряжений, характеризующееся значительными тангенциальными сжимающими напряжениями в кровле выработок. В сочетании с высокими значениями действующих тектонических напряжений это создает неблагоприятные условия для работы крепей в подкарьерном массиве. По полученным значениям изменения коэффициента концентрации сжимающих напряжений в кровле выработок подкарьерного массива (таблица 2) следует заключить, что напряженное состояние, формируемое на контурах выработок, в первую очередь зависит от положения относительно дна карьера.

Таблица 2 - Значения коэффициентов концентрации сжимающих тангенциальных напряжений в кровле выработок в зависимости от положения относительно дна карьера_

Глубина залегания выработки относительно дна карьера, м Значение коэффициента концентрации напряжений в кровле выработок подкарьерного массива при отклонении от вертикальной оси, м

0 50 100 150 200

50 1,41 1,40 1,25 1,17 1,05

100 1,15 1,17 1,13 1,15 1,04

150 1,10 1,13 1,09 1,12 1,03

200 1,09 1,08 1,07 1,06 1,02

250 1,07 1,06 1,05 1,05 1,04

320 1,05 1,04 1,02 1,02 1,01

3. Обоснование типов и расчет параметров крепей подготовительных выработок при отработке подкарьерных запасов должны осуществляться по методике, учитывающей, кроме других факторов, положение выработок относительно дна карьера, и для крепления выработок в породах второй, третьей и четвертой категорий устойчивости рекомендуется использовать фиб-ронабрызгбетон.

Исходя из выявленных особенностей геомеханических процессов, протекающих в подкарьерном массиве, для оценки устойчивости выработки в работе дополнен критерий оценки устойчивости выработок, предложенный В.Л. Трушко, О.В. Тимофеевым:

п =

ЛГ *3

где Пв- показатель напряженности подкарьерного массива; о - действующее напряжение в массиве по заданному направлению, МПа; - коэффициент концентрации действующих напряжений в подкарьерном массиве (рисунок 2); к\ - коэффициент концентрации напряжений на контуре выработки, вызванный разработкой карьера (таблица 2); кг - коэффициент, учитывающий взаимное влияние других выработок; къ - коэффициент, учитывающий влияние очистных работ; /?сж- временное сопротивление разрушению образца на одноосное сжатие, МПа; кс- коэффициент структурного ослабления массива; ку - коэффициент упрочнения массива горных пород.

По величине критерия напряженности Пв разработана классификация обнажений пород на контуре выработок подкарьерного массива, в которой выделены следующие категории:

• I - вполне устойчивые, Пв<0,5;

• II - устойчивые, Пв=0,5-1,2;

• III - средней устойчивости, Пв=0,5-1,2;

• IV - неустойчивые, Пв=2,0-4,0;

• V - весьма неустойчивые, Пв>4,0.

По результатам расчета показателя напряженности массива Коашвинского карьера Восточного рудника ОАО «Апатит» следует отметить, что в зоне влияния карьерной выемки категория устойчивости выработок понижается. При этом наиболее опасными участками применительно к безопасности ведения горных работ являются выработки, расположенные на участках влияния очистных работ и сопряжений (рисунок 7). Это подтверждается анализом данных натурных наблюдений за устойчивостью подготовительных выработок, проводимых в высоконапряженных массивах, в которых характерным является интенсивное заколообразование, шелушение, выдавливание боков выработок на участках влияния сопряжений и очистных работ.

По полученным результатам расчетов показателя напряженности следует, что с увеличением глубины расположения выработки коэффициент напряженности уменьшается, а затем, при достижении границы зоны влияния карьера, вновь начинает увеличиваться.

100

450

150 200 250 300 350 400 Расстояние до дна карьера, м

Рисунок 7 - Результаты расчета показателя напряженности подкарьерного массива для участков выработок в зоне влияния двухстороннего или трехстороннего сопряжения: 1 - без учета влияния очистных работ; 2 - расстояние до очистных работ менее 10 метров; 3 - расстояние до очистных работ 10-30 метров: I, П, III. IV - категории устойчивости выработок

На участках сопряжений и влияния очистных работ категория устойчивости понижается до третьей и четвертой. С увеличением глубины отработки запасов и, следовательно, с ростом действующих тектонических напряжений в массиве, характерно более интенсивное проявление горного давления, что приводит к более частым потерям устойчивости крепей. Объемы работ, связанных с перекреплением выработок на опасных участках, составляют до 20 %, при этом на некоторых участках необходимо производит работы несколько раз. С целью повышения устойчивости крепей подготовительных выработок, проводимых в подкарьерном массиве, проведены лабораторные исследования прочностных и деформационных характеристик бетона с добавлением полимерной макросинтетиче-ской фибры. Установлено, что вне зависимости от объема фибры в составе бетона, ее введение приводит к незначительному росту временной прочности на одноосное сжатие. Так, например, для группы без добавок прочность на одноосное сжатие составила 25,7 МПа, а для группы с добавлением фибры 3 кг/м3 и 5 кг/м3 составила 26,8 МПа и 27,6 МПа соответственно.

В исследовании деформационных характеристик бетона предусматривались испытания образцов в форме призм-балок методом трехточечного изгиба с фиксацией деформаций раскрытия устья надреза. Для измерения ширины раскрытия устья надреза в процессе испытания с обеих сторон на образец наклеивались специальные крепежи, на которые устанавливался датчик перемещения. В рамках проведенных испытаний получены зависимости изменения ширины раскрытия устья надреза от прикладываемой нагрузки, представленные на рисунке 8.

6000

5000

4000

g, 3000 в*

м

2000 1000 О

Рисунок 8 - Изменение ширины раскрытия устья надреза при трехточечном изгибе для усредненных серий испытаний образцов бетона: 1 - без добавок; 2 - с добавлением жидкого стекла; 3,4 - с добавлением макросинтетической полимерной фибры из расчета 3 и 5 кг/м3 соответственно.

При испытаниях на изгиб значительного увеличения прочности на растяжение так же не наблюдается, разница в величинах составляет не более 10%. Между тем, характер разрушения образцов с фиброй и без нее различен. Для образцов без добавления фибры характерным является падение нагрузки до нуля после достижения ее предельного значения. Аналогично разрушаются образцы с добавление жидкого стекла. Для образцов бетона с добавления фибры характерное падение значений нагрузки происходит до 20-40 % от максимального, потом падение прекращается, и при дальнейшем раскрытии устья надреза до 4 мм, практически, не изменяется.

Л ;<

\ \ I

* » V ч 1 2 3 4

\у \ /

V V I

______|

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

Ширина рзскрышя устья надреза, мм

Так, при добавлении фибры в бетон из расчета 3 и 5 кг/м3 остаточная прочность составила 20% и 35% соответственно. Применительно к крепям выработок добавление фибры в набрызгбетон повысит податливость крепи. Это позволит снизить вероятность потери несущей способности крепи после образования первичных трещин в набрызбетоне, что позволит повысить безопасность ведения горных работ и снизить объемы работ, связанных с перекреплением выработок на сложных по горнотехническим условиям участках. На основе проведенных в работе исследований геомеханических процессов, протекающих в подкарьерном массиве, для повышения безопасности ведения горных работ и уменьшения затрат по перекреплению выработок в таблице 3 приведены рекомендуемые типы и параметры крепей выработок.

Таблица 3 - Рекомендуемые способы и специальные мероприятия поддержания выработок, проводимых в подкарьерном массиве _

Категория и состояние устойчивости пород Типы и параметры крепей и специальные мероприятия поддержания выработок

I категория -вполне устойчивые Набрызгбетонная крепь в местах локального вывалообразования толщиной до 3 см.

II категория -устойчивые Железобетонные штанги длиной 1,8 м с расстановкой по сетке от 0,9x0,9 м до 1,1x1,1; возможно применение набрызгбетона толщиной до 3 см с добавлением полимерной фибры из расчета 3 кг/м3 в местах локального вывалообразования.

III категория -средней устойчивости Комбинированная крепь из железобетонных штанг длиной 1,8 м с расстановкой по сетке 0,7x0,7 до 1,0x1,0 м и набрызгбетонной крепи толщиной до 3 см с добавлением полимерной фибры из расчета 5 кг/м3. При необходимости создание разгрузочных щелей.

IV категория - неустойчивые Комбинированная крепь из железобетонных штанг длиной 1,8 м с расстановкой по сетке 0,7x0,7 м и набрызгбетонной крепи толщиной не менее 3 см с добавлением полимерной фибры из расчета 5 кг/м3. При необходимости создание разгрузочных щелей.

V категория - весьма неустойчивые

Продолжение таблицы 3 Металлическая арочная крепь со сварной металлической решетчатой затяжкой и забутовкой закрепного пространства. Применение предохранительных и опережающих типов крепи. Проведение мероприятий по образованию разгрузочных щелей._

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

Основные результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Разработана пространственная конечно-элементная модель прогноза напряженно-деформированного состояния подкарьер-ного массива карьера, после постановки бортов в конечное положение, отличающаяся учетом параметров карьера и сложного характера перераспределения компонентов гравитационно-тектонического поля напряжений, вызванного карьерной выемкой.

2. Выполненные исследования напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива позволили выявить ее особенности в зоне влияния карьера, заключающиеся в установлении областей повышенных и пониженных напряжений, а также размеров зоны влияния карьера на напряженно-деформированное состояние подкарьерного массива, которая для всех компонентов напряжений не превышает 350 метров.

3. Установлены особенности формирования напряжений на контуре горных выработок, пройденных в подкарьерном массиве, заключающиеся в повышенной концентрации сжимающих напряжений в кровле выработок, расположенных в зоне влияния карьера.

4. Выявлены особенности деформирования и разрушения образцов набрызгбетона с добавлением полимерной макросинтети-ческой фибры на изгиб, практическое значение которых заключается

в наличии остаточной прочности и сопротивлении деформациям при растяжении.

5. В зоне влияния карьера и очистных работ имеет место потеря устойчивости крепей. Для повышения их устойчивости предложено использовать фибронабрызгбетонную крепь.

6. Разработаны рекомендации по типам и параметрам крепей выработок при отработке подкарьерных запасов, которые учитывают результаты исследований фибробетона.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Шоков А.Н. Исследования параметров напряженного состояния прикарьерных массивов с учетом последовательности ведения горных работ при комбинированной открыто-подземной отработке алмазоносного месторождения / А.Г. Протосеня, А.Д. Куранов, А.Н. Шоков // Записки Горного института, СПб, 2013 г., Т. 199, с. 106-111;

2. Шоков А.Н. Прогноз напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива при открыто-подземной разработке Коашвинского месторождения / А.Г. Протосеня, А.Д. Куранов, А.Н. Шоков // Записки Горного института, СПб, 2013 г., Т. 204, с. 210214;

3. Шоков А.Н. Геомеханическое обоснование параметров предохранительного целика при комбинированной открыто-подземной отработке Ньюрпахкского месторождения / А.Г. Протосеня, А.Н. Шоков // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. - Екатеринбург, 2014, № 2, с. 54-58;

4. Шоков А.Н. Анализ напряженного состояния прикарьер-ного массива месторождения имени В. Гриба с учетом последовательности ведения открытых и подземных горных работ / А.Г. Протосеня, А.Н. Шоков // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения. Труды 10-ой Межрегиональной научно-практической конференции 11-13 апреля 2012 г. Филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт», Воркута, 2012 г., Т.1, с. 128133;

5. Шоков А.Н. Геомеханическое обоснование устойчивости целиков при комбинированной открыто-подземной отработке

Ньюрпахкского месторождения// Проблемы недропользования Международный форум-конкурс молодых ученых 24-26 апреля 2013 г. ч.1, СПб, 2013 г., с. 206.

РИЦ Горного университета. 25.04.2014. 3.353. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Шоков, Анатолий Николаевич, Санкт-Петербург

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования "Национальный минерально-сырьевой университет "Горный"

04201460188 7 На правах рукописи

Шоков Анатолий Николаевич

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ВЫРАБОТОК ПРИ ОТРАБОТКЕ ПОДКАРЬЕРНЫХ ЗАПАСОВ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ (НА ПРИМЕРЕ ОАО "АПАТИТ")

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная

аэрогазодинамика и горная теплофизика

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор А.Г. Протосеня

Санкт-Петербург - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................5

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

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

1.1.1 Общие положения и понятия комбинированной технологии рудных месторождений............................................................................................................10

1.1.2 Особенности геомеханических процессов, протекающие в массивах при комбинированной отработке рудных месторождений............................................15

1.2 ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ............18

ВОСТОЧНОГО РУДНИКА ОАО «АПАТИТ».........................................................18

1.2.1 Особенности геологического строения...........................................................18

1.2.2 Горнотехнические условия отработки.............................................................21

1.3 СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД.........25

1.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.....................30

ГЛАВА 2 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ ПОРОД...........................32

2.1 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД...............................32

2.1.1 Определение деформационно-прочностных характеристик горных пород 32

2.2.2 Экспресс методика проведения упрощенных лабораторных исследований физико-механических свойств горных пород..........................................................38

2.2 РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ОСНОВНЫХ ЛИТОТИПОВ ГОРНЫХ ПОРОД ВОСТОЧНОГО РУДНИКА ОАО "АПАТИТ".........................................................................................................41

2.3 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.......................................................................................45

3.1 МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО- ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВОКРУГ ВЫРАБОТОК ПРИ ОТРАБОТКЕ ПОДКАРЬЕРНЫХ ЗАПАСОВ ВОСТОЧНОГО РУДНИКА ОАО «АПАТИТ».....................................46

3.1.1 Общие сведения об объекте исследования и постановка задачи для моделирования.............................................................................................................46

3.1.2 Анализ напряженно-деформированного состояния под карьерного массива с учетом гравитационно-тектонического поля напряжений.....................................50

3.2 МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДКАРЬЕРНОГО МАССИВА ПРИ ОТРАБОТКЕ ПОДКАРЬЕРНЫХ ЗАПАСОВ...................................................................................61

3.2.1 Постановка задачи для моделирования...........................................................61

3.2.2 Анализ напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива, вмещающего горные выработки................................................................................63

3.3 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3........................................................................................76

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК, ПРОВОДИМЫХ В ПОДКАРЬЕРНЫХ МАССИВАХ..............................................................................79

4.1 НАТУРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА СОСТОЯНИЕМ ВЫРАБОТОК РУДНИКОВ ОАО "АПАТИТ".........................................................................................................79

4.2 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БЕТОНА И ФИБРОБЕТОНА.......85

4.2.1 Постановка задачи исследования.....................................................................85

4.2.2 Методика проведения лабораторных исследований образцов бетона и фибробетона на одноосное сжатие и растяжение....................................................87

4.2.3 Результаты физико-механических образцов бетона и фибробетона на одноосное сжатие и растяжение................................................................................91

4.2.4 Выводы по исследованиям влияния фибры на физико-механические свойства бетонов.........................................................................................................94

4.2.5 Технология ведения работ по применению фибры в набрызгбетонных крепях горных выработок, проводимых в подкарьерном массиве........................96

4.2.6 Рекомендации по расчету и применению фибры в креплении горных выработок, проводимых в подкарьерном массиве..................................................97

4.3 ОБОСНОВАНИЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ ОТРАБОТКЕ ПОДКАРЬЕРНЫХ ЗАПАСОВ..................................................................................................................100

4.3.1 Оценка устойчивости подземных горных выработок в зоне влияния карьера на основе показателя напряженности.....................................................................100

4.3.2 Рекомендации по обеспечению устойчивости подземных горных выработок, проводимых при отработке подкарьерного массива.........................101

4.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.....................................................................................109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................111

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................113

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы: В настоящее время Восточный рудник ОАО «Апатит» ведет отработку запасов апатит-нефелиновых руд Коашвинского и Ныор-кпахкского месторождений открытым способом. В дальнейшем планируется переход на подземную разработку месторождения, поэтому большой научный и практический интерес представляют задачи, связанные с обеспечением устойчивости подготовительных выработок при отработке подкарьерных запасов.

Актуальность вышеуказанной задачи объясняется сложным характером взаимного влияния карьера, проходческих и очистных подземных горных работ, а также наличием в массиве тектонических напряжений.

Для решения данной задачи необходима комплексная оценка напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива с учетом неравнокомпо-нентного гравитационно-тектонического поля напряжений, особенностей физико-механических и структурных свойств вмещающих пород и влияния подготовительных и очистных выработок.

Исследованием геомеханических процессов при комбинированной разработке рудных месторождений занимались такие ученые, как Д.Р. Каплунов, A.A. Козырев, Д.М. Казикаев, В.Н. Калмыков, Э.В. Каспарян, Ю.В. Демидов, Ю.В. Волков, М.В. Рыльникова, В.В. Рыбин, Т.М. Мухтаров и др. Обеспечению устойчивости выработок посвящены работы И.В. Баклашова, A.A. Баряха, И.Ю. Рассказова, К.В. Руппенейта, Н.С. Булычева, Б.А. Картозии,

A.Н. Панкратенко, В.В. Першина и др. Изучением геомеханических процессов вокруг выработок в прочных высоконапряженных массивах занимались A.A. Еременко, А.Г. Протосеня, B.JI. Трушко, Г.Г. Мирзаев, М.В. Корнилков,

B.В. Зубков, О.В. Ковалев и др.

Цель диссертационной работы: Обеспечение устойчивости подготовительных выработок при отработке подкарьерных запасов Восточного рудника ОАО "Апатит".

Идея работы: Выбор рациональных типов и параметров крепей подготовительных выработок, расположенных в подкарьерных массивах, должен производиться на основе прогноза их устойчивости, базирующегося на результатах численного моделирования, с учетом особенностей перераспределения компонентов гравитационно-тектонического поля напряжений, вызванных разработкой карьера.

Основные задачи диссертационной работы:

- лабораторные исследования физико-механических свойств руд и вмещающих пород;

- проведение натурных наблюдений за проявлениями горного давления в подготовительных выработках на рудниках ОАО «Апатит»;

- проведение численного моделирования по исследованию параметров полей напряжений в подкарьерном массиве при комбинированной открыто-подземной разработке месторождения;

- разработка конечно-элементных моделей массива рудных месторождений при отработке подкарьерных запасов и установление закономерностей изменения поля напряжений;

- обоснование рациональных типов и параметров крепей подготовительных выработок, расположенных в подкарьерном массиве.

Методы исследований. В работе использовалась комплексная методика исследования, включающая анализ литературных источников, опыта комбинированной открыто-подземной разработки месторождений полезных ископаемых; материалов геологической разведки месторождений Восточного рудника ОАО «Апатит»; исследование прочностных и деформационных свойств вмещающих горных пород в лабораторных условиях; натурные наблюдения за устойчивостью подготовительных выработок; численное моделирование геомеханических процессов, протекающих в подкарьерных массивах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

установлены закономерности перераспределения гравитационно-тектонического поля напряжений в подкарьерном массиве, вызванные карьерной выемкой;

- выявлены закономерности изменения коэффициентов концентрации напряжений на контурах горных выработок в подкарьерном массиве в зависимости от их положения относительно дна карьера

Защищаемые научные положения.

1. Метод прогноза пространственного напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива должен учитывать его геологическое строение, геометрические параметры карьера и естественное гравитационно-тектоническое поле напряжений.

2. Наличие карьера приводит к концентрации тангенциальных напряжений в кровле и почве горных выработок и формированию в подкарьерном массиве зоны повышенных напряжений, размеры которой достигают под его дном 320 метров, а в горизонтальном направлении 200 метров.

3. Обоснование типов и расчет параметров крепей подготовительных выработок при отработке подкарьерных запасов должны осуществляться по методике, учитывающей, кроме других факторов, положение выработок относительно дна карьера, и для крепления выработок в породах второй, третьей и четвертой категорией устойчивости рекомендуется использовать фибронабрызгбетон.

Практическая значимость работы:

разработана методика расчета параметров напряженно-деформированного состояния массива вокруг горных выработок, находящихся в зоне влияния карьера;

- обоснованы рациональные типы и параметры крепей подготовительных выработок учитывающие совокупное влияние карьера и тектонического поля напряжений в массиве;

- разработаны рекомендации по использованию фибронабрызгбетона для крепления выработок в сложных горнотехнических условиях.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций

подтверждается использованием новейшего прессового оборудования лаборатории физико-механических свойств и разрушения горных пород Научного центра геомеханики и проблем горного производства Национального минерально-сырьевого университета «Горный» при выполнении испытаний образцов горных пород; использованием реализованного в рамках сертифицированного программного комплекса для ЭВМ БтиНа Abaqus современного численного метода конечных элементов; натурными наблюдениями за состоянием крепи и породных обнажений в зоне влияния карьера.

Апробация диссертации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях: международных форумах молодых ученых «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2012, 2013 г.); ежегодных конференциях студентов и молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (г. Санкт-Петербург, 2012, 2013 г.); Международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и их решения» (г. Воркута, 2011, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 3 - в сборниках печатных работ, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

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

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение,

список использованной литературы из 108 наименований, 68 рисунков и 15 таблиц.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

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

1.1.1 Общие положения и понятия комбинированной технологии рудных месторождений

Вследствие многообразия схем совмещения открыто-подземной разработки, обусловленного различными возможными во времени и в пространстве комбинациями вариантов технологии открытых и подземных горных работ, в горнотехнической литературе трактуется неоднозначно, в связи этим, на первом этапе, разберемся с определением комбинированной системы разработки. В историческом аспекте под комбинированной разработкой понимается любое сочетание открытого и подземного способов добычи при разработке одного и того же месторождения [1].

На сегодняшний день классификацией комбинированной разработки месторождений занимались: Б.П. Юматов; A.A. Вовк; Г.И. Черный; Д.М. Казикаев; В.А. Щелканов; Т.М. Мухтаров; Д.Р. Каплунов; В.Н. Калмыков; М.В. Рыльнико-ва; В.В. Куликов; Э.Ю. Мещеряков [1-8].

В работах [1-5] прослеживается общая терминология и классификация, которую можно представить в виде схемы, представленной на рисунке 1.1.

Комбинированным называется способ разработки месторождения несколькими принципиально-различными технологиями, осуществляемый в зонах взаимного геомеханического влияния при единой схеме вскрытия месторождения. В результате сочетания во времени и в пределах одного месторождения различных технологий выделяется обобщённые варианты комбинированного способа разработки: совместная во времени и в пространстве открытая, подземная и физико-химическая отработка месторождения; последовательная открыто-подземная или подземно-открытая разработка; физико-химические способы мо-

гут присутствовать в любом из этих подвариантов; повторная разработка месторождения в любом сочетании подземных, открытых и физико-химических способов.

Разновидности комбинированной разработки

По совмещению горных работ в пространстве По совмещению горных работ во времени -1------

---■_

В вертикальном направлении Последовательная открыто-подземная разработка

V//

В горизонтальном направлении ЛЛ Последовательная подземно-открытая разработка

Ул

Смешанное совмещение ¡/ \ Одновременная (совместная) разработка открытым и подземным способами

Рисунок 1.1 - Классификация разновидностей комбинированной разработки рудных месторождений

Также существуют классификации вариантов комбинированной разработки рудных месторождений, где в качестве критериев принимают частные признаки, которые не оказывают существенного влияния на комбинированную технологию.

К таким признакам Казикаев Д.М.[4] относит характеристики состояния массивов руд и пород (обрушенные, монолитные, частично обрушенные, устойчивые и т.д.); стадийность освоения месторождения (стадии строительства, эксплуатации, завершения); условия залегания рудных залежей и т.д. Детализация признаков приводит к усложнению системы классификации разновидностей комбинированной разработки, что в данном случае является неуместным.

В задаче исследования рассматривается последовательная открыто-подземная разработка рудного месторождения, в случае, когда после выхода ка-

рьера на предельную глубину производится переход на подземную разработку запасов.

Также существуют классификации запасов руд, подлежащих комбинированной разработке, по непосредственному их расположению относительно карьера [6,7,8]. В общем, запасы руд месторождения условно разделяют на три группы: подкарьерные, прикарьерные, шахтные (рисунок 1.2). В отдельных случаях из прикарьерных запасов выделяют подгруппы прибортовых и прикарь-ерных запасов.

Рисунок 1.2 - Группы запасов месторождения при комбинированной разработке: 1 -карьерные; 2 - прикарьерные; 3 - шахтные; 2а- прибортовые; 26 - подкарьерные

Каждый из обозначенных участков характеризуются отличными от других геомеханическими условиями и соответственно технологиями работ.

В работе рассмотрена разработка запасов находящихся непосредственно под дном карьера, что по вышеописанной классификации соответствует при-карьерной группе подкарьерной подгруппы запасов. В связи с тем, что как по�