Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование закономерностей обрушения подработанных пород в скальных тектонически напряженных массивах

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

Автореферат диссертации по теме "Исследование закономерностей обрушения подработанных пород в скальных тектонически напряженных массивах"

На правах рукописи

Семенова Инна Эриковна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ОБРУШЕНИЯ ПОДРАБОТАННЫХ ПОРОД В СКАЛЬНЫХ ТЕКТОНИЧЕСКИ НАПРЯЖЕННЫХ МАССИВАХ (НА ПРИМЕРЕ АПАТИТОВЫХ РУДНИКОВ ХИБИН)

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Апатиты 2006

Работа выполнена в Горном институте Кольского научного центра Российской Академии наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор A.A. Козырев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук A.B. Ловчиков кандидат технических наук A.A. Филинков

Ведущая организация: ОАО «Апатит»

Защита состоится ^ ноября 2006 года в 14.30 на заседании диссертационного совета Д002.029.01 при Горном институте Кольского научного центра Российской академии наук по адресу: 184209, г. Апатиты, Мурманская область, ул. Ферсмана, д.24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института КНЦ РАН.

Автореферат разослан $ октября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н.

O.E. Чуркин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время происходит постоянное усложнение горнотехнических условий отработки месторождений полезных ископаемых в связи с углублением горных работ. Одним из основных процессов, влияющих на безопасность разработки недр, является деформация подработанного массива горных пород. Следствием этого сложного и зависящего от массы разнообразных факторов процесса является внезапное неконтролируемое самообрушение подработанных пород.

Для обеспечения безопасной и эффективной отработки месторождений необходимо регулярно производить оценку геомеханического состояния породного массива, прогнозировать изменения этого состояния, контролировать развитие деформационных процессов и регулировать их путем изменения параметров, взаимного положения, порядка и организации ведения горных работ, а также динамическим воздействием массовых взрывов.

Процесс самообрушения и его развитие во времени и в пространстве зависит от ряда горнотехнических и горно-геологических факторов. Если первые поддаются управлению, то другая группа факторов имеет вероятностную природу и управление ими практически невозможно. Так -прочностные и деформационные свойства пород, параметры трещиноватости могут случайным образом изменяться от точки к точке как по площади, так и по глубине массива. В условиях гористого рельефа сложным образом изменяется и мощность толщи покрывающих пород как по падению, так и по простиранию рудной залежи. Не менее сложным будет и напряженно-деформированное состояние подработанных пород с учетом реальной геометрии дневной поверхности, конфигурации открытых и подземных горных работ в условиях действия значительных субгоризонтальных тектонических напряжений, что характерно для горных массивов Кольского полуострова, являющихся объектом исследования данной работы.

В зависимости от горно-геологических условий залегания рудных залежей и применяемых систем разработок проблема трактуется двояко: при системах с открытым очистным пространством или поддержанием на целиках с использованием различных видов крепей обрушение налегающих пород (пород кровли) ' рассматривается как негативное явление, обуславливающее снижение безопасности работ и ухудшение количественных и качественных показателей предприятия. С другой стороны, для рудников, применяющих системы разработки с массовым обрушением руды, своевременное обрушение подработанных пород способствует успешному решению ряда технических вопросов. Это - исключение необходимости принудительной подрывки пустых пород с целью предотвращения воздушных ударов

и замораживания горных выработок, оптимизация потерь и разубоживания руды, снижение риска динамических последствий непрогнозируемого обрушения и т.д.

Анализ состояния вопроса показал, что проблема управления процессом обрушения налегающих пород до конца не решена, особенно для тектонически напряженных массивов скальных пород. Напряженно-деформированное состояние (НДС) массива пород при расчете параметров самообрушения обычно учитывается в упрощенной форме по гравитационной гипотезе или не учитывается вовсе. Исследования численными методами проводились, как правило, в плоской постановке.

Таким образом, изучение напряженно-деформированного состояния подработанных пород и управление их обрушением является важной научно-технической задачей.

Целью работы является изучение механизма потери устойчивости пород кровли очистных выработок в скальных массивах с гравитационно-тектоническим типом исходного напряженного состояния и разработка методического подхода к прогнозу самообрушений подработанных пород.

Основная идея работы заключается в учете при прогнозировании обрушений особенностей НДС тектонически напряженных массивов, влияющих на повышение устойчивости подработанных пород.

Задачи исследований:

1. Разработка на основе метода конечных элементов компьютерной технологии моделирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород, позволяющей учитывать геологическое строение массива, его нарушенность выработками произвольной формы и различный характер нагружения.

2. Разработка трехмерных численных моделей для выявления наиболее значимых горно-геологических и горнотехнических факторов и изучения влияния их сочетаний на напряженно-деформированное состояние подработанных пород.

3. Изучение формирования условий и развития самообрушений налегающих пород в тектонически напряженных массивах. Уточнение механизма деформационных процессов в подработанной породной толще и обоснование области применения различных расчетных схем для прогноза параметров обрушения.

4. Разработка методики прогнозирования обрушений подработанных пород в скальных тектонически напряженных массивах на основе численного моделирования НДС.

Методы исследований. В работе применен комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение научного и практического опыта по проблеме; численное моделирование распределения напряжений и деформаций в массиве пород в объемной постановке; анализ данных об изменении кромки обрушения покрывающих пород на основе периодических маркшейдерских съемок, стандартные статистические методы обработки экспериментальных и расчетных данных.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Начало образования трещины в кровле прямоугольного очистного обнажения наиболее вероятно по вертикальной плоскости симметрии вдоль длинной оси обнажения при соотношении сторон VI =0.4, если Т<ЗуН.

2. Обрушение пород до дневной поверхности при действии тектонических напряжений развивается снизу вверх в несколько стадий:

первая - развитие и накопление трещин отрыва в зонах с максимальными значениями растягивающих деформаций, приуроченных к границам заделки подработанных пород;

вторая - слияние трещин и формирование магистрального разрыва;

третья - образование единой плоскости обрушения до дневной поверхности при накоплении массивом энергетического потенциала, необходимого для преодоления зоны с пониженными растягивающими деформациями.

3. Методика прогнозирования параметров обрушений налегающих пород в скальных массивах, основанная на численном моделировании объемного напряженно-деформированного состояния и использующая критерии разрушения как по абсолютным значениям растягивающих деформаций, так и по ориентации их площадок с учетом нарушенности пород.

Научная новизна работы:

разработана компьютерная технология моделирования объемного напряженно-деформированного состояния подработанных пород, позволяющая учитывать разнообразные горнотехнические и геологические факторы и отличающаяся возможностью прогноза параметров обрушения; разработана методика прогнозирования вероятного развития обрушения налегающих пород по данным математического моделирования для конкретных условий подработки, учитывающая ориентировку площадок максимальных растягивающих деформаций;

установлены основные особенности напряженно-деформированного состояния подработанных пород при действии в массиве тектонических сил, заключающиеся в наличии области пониженных значений растягивающих деформаций, разделяющей зоны их концентраций в районе опирания подработанных пород и у дневной поверхности;

обосновано обеспечение планомерного обрушения налегающих пород при применении системы разработки с подэтажным обрушением и опережающей отбойкой треугольников висячего бока за счет увеличения абсолютных значений растягивающих деформаций и выхода области их действия на дневную поверхность.

Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обоснована:

-сходимостью результатов численного моделирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород с результатами натурных исследований;

-соответствием прогнозных параметров зон обрушения, полученных с помощью численных экспериментов, данным фактических параметров самообрушений покрывающих пород;

-положительным опытом выполнения рекомендаций по созданию условий обрушения подработанных пород на Юкспорском крыле Объединенного Кировского рудника (ОКР).

Реализация результатов работы.

Результаты работы использовались при разработке «Указаний по управлению обрушением покрывающих пород, охране сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на рудниках открытого акционерного общества «Апатит» 2002 года, для прогноза развития обрушения при отработке Юкспорского месторождения, а также при отработке стыковочных зон: между Юкспорским крылом ОКР и Саамским карьером; между Расвумчоррским рудником и Центральным карьером ОАО «Апатит». Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на технических советах, комиссиях по горным ударам ОАО «Апатит», на международных конференциях «Геодинамика и напряженное состояние недр земли» в 2003г. и 2004г. в г. Новосибирске, «Наука и образование» в г. Мурманске в 2005г., «Горное дело в Арктике» в г. Апатиты в 2005г, были изложены в научно-исследовательских отчетах Горного института КНЦ РАН, опубликованы в научных статьях.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 работ. Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 175 страниц текста, 7 таблиц,83 рисунка и список литературы из101 наименований.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность научному руководителю работы Заслуженному деятелю науки Российской Федерации, профессору, доктору технических наук A.A. Козыреву за помощь в постановке проблемы и руководство исследованиями; доктору технических наук профессору Ю.В. Демидову, доктору технических наук С.Н. Савченко, кандидатам технических

тук В.В. Рыбину, В.И. Панину, Ю.В. Федотовой за обсуждение результатов, ценные советы и внимание к работе. Следует с признательностью отметить большой вклад в проведенные исследования кандидатов технических наук |А.Н. Енютина и В А. Мальцева). Автор благодарен сотрудникам лаборатории геомеханики и института за плодотворное сотрудничество, а работникам ОАО «Апатит» за заинтересованность и поддержку в проведении исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Эффективное и безопасное применение на больших глубинах систем этажного и подэтажного принудительного обрушения и планирование мероприятий по охране сооружений зависит от своевременного прогноза и управляемого планомерного развития частичного и полного самообрушения покрывающих пород.

Вопросам устойчивости и определения предельных пролетов обнажений пород кровли очистных обнажений, управления проявлениями горного давления посвящено значительное число работ, среди которых можно выделить труды С.Г.Авершина, И.М.Бахурина, И.В.Баклашева А.А.Борисова, В.И.Бортц-Компониеца, В.Р.Именитова, Кузнецова Г.Н., В.Д. Слесарева, Г.Л. Фисенко В.Д. и других.

Исследованиями устойчивости подработанных пород и параметров обрушения применительно к условиям рудников Хибин занимались В.Н~Аминов, Ф.И.Борейко, Ю.В.Демидов, А.Н.Енютин, Ивановский, А.А.Козырев, В.Н.Крапивин, А.Г.Максимов, В.А.Мальцев, Ф.М.Онохин, С.Н.Савченко; для условий Ловозерского месторождения - А.В Ловчиков, А.Н.Енютин.

При анализе используемых методов расчета выявлено: во-первых, значительный объем расчетов выполнен с помощью методов строительной механики и сопротивления материалов на упрощенных расчетных схемах, не отражающих в полной мере реальные условия залегания и строения массивов горных пород. Во-вторых, расчеты проводили, как правило, для заданной или согласованной с данными практики предельной по технологическим условиям величины пролета очистной выработки, что практически затрудняет выявление механизма потери устойчивости или хода разрушения. Следует отметить, что даже значительное развитие численных методов решения двух - и - трехмерных задач механики,сплошной среды не привели^ исключению указанного недостатка: как правило, рассматривали напряженно-деформированное состояние очистных обнажений конечных (критических) размеров. В-третьих, до настоящего времени не предпринято попыток теоретического объяснения многочисленных результатов экспериментальных определений предельных размеров устойчивых обнажений. В частности, известны графические

зависимости предельных размеров очистных обнажений, полученные для различных месторождений (Г.А. Крупенников, C.B. Ветров, Э.В. Каспарьян, В.В. Куликов и др.).

Многие исследователи доминирующим фактором, влияющим на самообрушения, считают блочное строение массива. Анализ самообрушений проводился исходя только из собственного веса пород, без учета тектонических сил. Такой подход в какой-то мере возможен для малозаглубленных очистных пространств, где влияние тектонической составляющей менее значимо, а частота и степень раскрытия трещин действительно могут играть важную роль. Однако с увеличением глубины горных работ растет и значение тектонических сил при уменьшении частоты трещин, и при мощности налегающей толщи более 300 м площадь устойчивых зависаний достигает 10000 м2 и более, что не согласуется с предложенным механизмом самообрушения.

В соответствии с целью работы, в первую очередь был проведен ретроспективный анализ обрушений подработанных пород до поверхности на рудниках ОАО «Апатит». В таблице 1 показаны параметры обрушений за период с 1990 по 2005 год на Юкспорском крыле Кировского рудника. Как видно, подвигание кромки обрушения происходило в период с 1989 по 1992 годы ежегодно. После этого период между обрушениями стал увеличиваться: крупные обрушения произошли в 1995, 1998,2000 годах, причем в 2000 году обрушение было принудительным. Для каждого самообрушения восстанавливались параметры подработки для трех случаев: на момент перед отбойкой секции, для которой произошло самообрушение, на момент после отбойки секции и на момент после произошедшего самообрушения. Тогда точки графика в первом и третьем случае соответствуют параметрам подработки, при которых сохраняется устойчивость зависающих пород, а во втором случае -параметрам подработки, при которых произошло самообрушение.

В результате построена номограмма (рис. 1), отделяющая зону устойчивых обнажений от неустойчивых. Кривые критических параметров подработки для Кировского и Расвумчоррского рудников вошли в действующие «Указания по управлению обрушением покрывающих пород на рудниках ОАО «Апатит».

Однако на процесс обрушения оказывают влияние и факторы, учесть которые заранее практически невозможно. Исходное поле напряжений и его изменение при развитии горных работ, структурные неоднородности массива горных пород, различные типы зависаний, изменение высоты подработанных пород от точке к точке - все это приводит к тому, что параметры обрушения и время его реализации могут сильно отличаться друг от друга при одних и тех же параметрах подработки.

В случаях, когда параметры обрушения попадают по номограмме в зону неустойчивых обнажений, а обрушение не происходит, целесообразно проводить исследования НДС подработанных пород численными методами. Очевидно, что основной причиной обрушения подработанных пород является

изменение их первоначального равновесного состояния вследствие ведения горных работ, т.е. изменение их напряженно деформированного состояния. Следовательно, изучая характер изменения напряженно деформированного состояния пород кровли для какой-либо выделенной группы факторов, можно выявить механизм их разрушения или потери устойчивости очистного обнажения.

Таблица 1

Параметры самообрушений пород до поверхности на западном фланге Юкспорской

N п/п Дата Блок Цм /, м Нср.,м Нср.подпм 17Нср. //Нср. Примечания

1 17.05.2002 7/10 240 54 358 100 0.68 0.15 проводились прогнозные расчеты

2 02.04.2000 3/5 180 70 165 55 1.1 0.42 проводились прогнозные расчеты

3 28.12.98 5/7 220 40.6 200 80 1.1 0.2 консоль

4 28.12.98 2/4 136 134 150 60 0.96 0.95 - трехстороннее опирание - район подработки горизонтов +320м и 250м

5 28.12.98 9/10 304 46 374 120 0.81 0.12 вероятная причина обрушения—динамическое воздействие предыдущих обрушений

6 22.12.95 4/6 220 70 140 55 1.57 0.5

7 22.12.95 6 - - - - - - вероятная причина обрушения — динамическое воздействие предыдущего обрушения

8 12.07.93 6/12 - - - - - -

9 27.10.92 2/3 200 47.6 127 1,6 0,37 увеличение зоны подработки после отбойки секции

10 27.10.92 4 - - - - - - вероятная причина обрушения - динамическое воздействие предыдущего обрушения

11 19.09.91 2/6 200 54 210 0,95 0,26 увеличение зоны подработки

12 1990 2/5 - - - - - -

1 1

0,8 \

\

0,6 \ Зона Неустойчивых V обнажений

0,4 ..........................х.....................................................

0,2

0 обнажений

0 0,2 0,4 0,6 0,1^1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

Рис. 1. Прогнозный график критических параметров подработки покрывающих пород на Юкспорском руднике (I — минимальная подработка, Ь -максимальная подработка, Н — средняя глубина подработки)

Основные результаты диссертационной работы отражены в научных положениях, выносимых на защиту.

1. Начало образования трещины в кровле прямоугольного очистного обнажения наиболее вероятно по вертикальной плоскости симметрии, вдоль длинной оси обнажения при соотношении сторон 171 =0.4, если Т < ЗуН.

При непосредственном участии автора разработан пакет программ для расчета НДС массива горных пород методом конечных элементов в объемной постановке. С целью его использования на современном уровне было создано приложение БЮМАЗО (рис. 2), включающее

препроцессорный блок с программными алгоритмами по созданию базы данных исходной информации, построению структурной и конечно-элементной моделей и подготовки граничных условий. При этом дискретизация массива может обеспечиваться способом, программная реализация которого осуществлена автором (он заключается в разбиении характерного для конкретной модели сечения на укрупненные зоны, последующей их привязке и редактированию для других сечений и дальнейшее заполнение всего моделируемого объема горных пород восьмиузловыми призматическими элементами);

блок непосредственного решения задачи МКЭ с новым алгоритмом переформирования матрицы жесткости системы уравнений, хранящейся в машинной памяти без нулевых членов, что позволило на несколько порядков уменьшить количество используемых ячеек памяти и повысить эффективность решения практических задач; а также

постпроцессорный блок обработки и визуализации результатов моделирования, осуществляемой в двух вариантах: в виде изолиний или векторов (площадок) компонент напряжений и деформаций.

Рис. 2. Основные модули численного моделирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород.

Число моделей, разработанных с помощью данного приложения — более 20, количество рассчитанных по ним вариантов — более 200. Оценивалась сходимость результатов моделирования как с аналитическими решениями, так и с данными натурных наблюдений. При проведении сравнения расчетных значений с данными измерений методом разгрузки выявлено, что средние относительные отклонения для абсолютных значений напряжений — 7%, а для направлений их действия = 8 % - то есть наблюдается удовлетворительная сходимость.

В соответствии с целью работы был выделен необходимый набор вариантов, решение которых позволило изучить роль и степень влияния каждого из приведенных в таблице №2 горно-технологических и горно-геологических факторов. Указанные факторы и их сочетание в достаточной мере отражают горно-геологические условия

залегания большинства рудных месторождений. В таблицу не вошли параметры, отражающие упругие и прочностные характеристики сред, а также структурные неоднородности массивов горных пород. Обусловлено это тем, что первые являются константами и автоматически могут быть учтены в выбранном методе исследований -методе конечных элементов; вторые являются критериальными величинами; влияние и учет третьих может быть осуществлен вводом некоторых поправочных коэффициентов для упругих характеристик среды.

Таблица 2

Многофакторный анализ устойчивости кровли

Горно-технологические факторы Горно-геологические факторы

Параметры обнажения (1.L) Вид опирания Вид нагружен ия Рельеф над очистным пространством Угол падения рудного тела Глубина залегания

о 5:10 10:10 10:15 10:20 4-х стороннее 3-х стороннее 2-х стороннее гравитационный гравитация+ тектоника - Л V Ь Г-1 ъ U-1 ■ч-¡Ñ малозаглуб-ленные заглубленные

На первом этапе исследований рассматривали задачу о характере изменения напряженно-деформированного состояния потолочины одиночного очистного пространства под действием собственного веса в зависимости от формы и порядка его образования. Полученные результаты представляются как тестовые для более сложных сочетаний влияющих факторов. Исходные параметры модели показаны на рисунке 3. При анализе нормальных компонент напряжений в непосредственной кровле по центру очистного обнажения (рис.4) выявлено:

- обе горизонтальные компоненты напряжений растягивающие, однако, характер их изменения различен;

- ах - компонента, направленная по длинной оси обнажения, с изменением ширины его сторон от 0.1 до 1, возрастает по модулю почти линейно;

- суу - компонента, направленная по длинной оси обнажения, имеет точку экстремума при Ш =0.4;

- при квадратной форме очистного пространства Ш =1 обе горизонтальные нормальные компоненты - растягивающие и равны друг другу;

- при , изменении ориентации очистного пространства наибольшим по абсолютной величине становится сгх — теперь оно направлено по нормали к длинной оси выработки.

I I г 1 I I - плоскости симметрии

- напр авление р азвития очистных работ

использованы для построения графика на рис.4

Рис.3 Схема трехмерной модели и порядок изменения формы очистного пространства в вариантах расчета (Цифрами показан порядок изменения формы очистного пространства)

Изучено влияние коэффициента бокового отпора на НДС пород кровли. Варьировали тектоническую составляющую для модели (рис.3) и соотношения величин усилий по направлениям осей координат. Выявлен

• нелинейный характер изменения деформаций и напряжений в кровле;

• наличие экстремума при соотношении сторон обнажения, равном 0.4 для горизонтальной компоненты, ориентированной перпендикулярно его длинной оси;

• увеличение абсолютных значений растягивающих и сжимающих напряжений с ростом тектонической составляющей;

размер очттоогопространства

-а.

Рис. 4. Зависимость абсолютных значений нормальных напряжений в элементе, расположенном непосредственно над очистным пространством в его центре симметрии (Значения по оси X соответствуют порядку развития обнулений, показанному на рис.3) .

• при превышении тектонической составляющей над собственным весом пород в три и более раз - горизонтальные компоненты напряжений сжимающие. Разрушение пород кровли в этом случае возможно от развития вертикальных растягивающих деформаций и, как следствие, образования техногенных горизонтальных трещин. Таким образом, в рассматриваемых условиях, наиболее вероятна потеря устойчивости при Ь/7 >0.4 вследствие действия в кровле растягивающего напряжения, ориентированного по нормали к длинной оси обнажения, т.е. трещина начнет формироваться в кровле очистного пространства именно по длинной оси и при данном соотношении сторон.

2. Обрушение пород до дневной поверхности при действии тектонических напряжений развивается снизу вверх в несколько стадий:

первая - развитие и накопление трещин отрыва в зонах с максимальными значениями растягивающих деформаций, приуроченных к границам заделки подработанных пород;

вторая — слияние трещин и формирование магистрального разрыва;

третья - образование единой плоскости обрушения до дневной поверхности при накоплении массивом энергетического потенциала, необходимого для преодоления зоны с пониженными растягивающими деформациями.

На объемных конечно-элементных моделях (рис.5) изучено напряженно-деформированное состояние в окрестности одиночного очистного пространства в гористом рельефе дневной поверхности с целью выявления условий потери устойчивости подработанных пород. Рассмотрены задачи с возможными вариантами опирания подработанных пород, расположением очистной выемки под склоном горы и под плато; выше уровня и на уровне долины. Задачи решали как под действием собственного веса, так и с учетом тектонической составляющей.

1 . рмп«ма»1м очистного прло|чигп* шд осимм ? • щснмкчотииг •■нстм« фотрмвгм пщ 1мт

Рис. 5. Расчетные модели-аналоги северного фланга Юкспорской части ОКР.

При сравнении вариантов, решенных только под действием собственного веса и вариантов с учетом тектонической составляющей по значениям максимальных растягивающих деформаций и направлениям площадок, на которые они действуют (рис. б), установлено, что зоны с максимальными значениями растягивающих деформаций (Ез) и для одного и для другого случая нагружения приурочены к границам опирания консоли подработанных пород, причем уровень растягивающих деформаций выше для варианта с учетом тектоники. Следовательно область наиболее интенсивного .. трещинообразования будет находиться в районе заделки подработанных пород, поэтому процесс обрушения начнется именно отсюда.

Рис.6. Распределение максимальных растягивающих деформаций е3 в сечении вкрест простирания рудной залежи в массиве под действием собственного веса и тектонических сил.

Под дневной поверхностью развитие растяжения имеет нелинейный характер по мере удаления от плоскости обнажения: - область нулевых или пониженных значений е3 сменяется зоной повышенных, в которой абсолютные значения растяжения достигают 40-60% от прочности на разрыв. То есть у дневной поверхности можно выделить зону наиболее вероятного раскрытия субвертикальных трещин, которые будут стремиться достичь зоны интенсивного трещинообразования у границ заделки.

Однако при действии тектоники по мощности подработанных пород выделяется зона с низкими значениями растяжений, которая будет препятствовать образованию единой плоскости обрушения. Кроме этого, направление площадок, на которые действует £з , близко к вертикальному для вариантов под действием собственного веса и наклонно для вариантов с учетом тектоники, что тоже тормозит процесс обрушения. Чем глубже находится очистное пространство, тем больший объем занимает зона пониженных

значений е3 , а градиент изменения в ней деформаций более высокий. Значит обрушение до поверхности произойдет только в том случае, если массивом будет накоплен энергетический потенциал, необходимый для преодоления зоны с пониженными значениями растягивающих деформаций.

Аналогичные выводы можно сделать и для моделей реальных участков апатитовых месторождений Хибинского массива.

3. Методика прогнозирования параметров обрушений налегающих пород в скальных массивах, основанная на численном моделировании объемного напряженно-деформированного состояния и использующая критерии разрушения как по абсолютным значениям растягивающих деформаций, так и по ориентации их площадок с учетом нарушенное™ пород.

В процессе проведения исследований напряженно-деформированного состояния подработанной толщи был выработан подход, основанный на использовании деформационного критерия прочности. Инструментом моделирования являлся пакет программ SigmaЗD, реализующий метод конечных элементов в объемной постановке (рис. 2).

Моделирование НДС проводилось в два-три этапа. Мелкомасштабные расчетные схемы с размерами в плане (5000-г-7500)х(8000 -г9500) м2 и отметкой нижней границы расчетной области — -1050м учитывали рельеф дневной поверхности, основные разломные структуры, положение подземных и открытых горных работ рудников. Нагружение моделей осуществлялось собственным весом пород и приложенными к взаимно перпендикулярным граням тектоническими силами Т] и Т2. Корректность заданных граничных и начальных условий проверялась путем сопоставления полученных параметров поля напряжений с имеющимися данными натурных измерений в массиве методом разгрузки. На основании анализа как абсолютных значений показателей прочности и упругости, так и их изменений при нагрузке сделан вывод об упругом деформировании пород вплоть до разрушения. Это подтверждается также данными натурных наблюдений за характером разрушений пород в окрестности выработок, поэтому в качестве модели среды принята упругая модель. В отдельные слои со своими упругими характеристиками выделены рудное тело, покрывающие и подстилающие породы.

Параметры крупномасштабных моделей выбраны таким образом, чтобы при максимальном изменении геометрии очистных пространств изменения перемещений на границах будущей расчетной схемы в глобальной модели не превышали 5%. На этом этапе разбиение модели на конечные элементы осуществлялось с детальным учетом горных работ на всех горизонтах и возможностью моделирования различных положений кромки обрушенных пород.

Обрушение подработанных пород в тектонически нагруженных массивах, особенно при отработке глубоких горизонтов, можно рассматривать на основе теории разрушения отрывом сжатых скальных пород. Прогноз устойчивости массива горных пород проводили с учетом действующего поля напряжений. Основную роль в этом случае будет играть не максимальное значение главной компоненты напряжений, а максимальная растягивающая компонента деформаций и ее ориентировка по отношению к плоскостям трещин. Расчет деформаций осуществляется по формулам:

£•,= 1/£(о-, - v(cr2+ 03));

£2 = НЕ (<r2 - V(oï + 0-3»;

£3 = ME (03 - v(oi+ 02»;

где oï; сг2; <т3 - компоненты главных напряжений (cri < а2< сг3);

Е, V- модуль Юнга и коэффициент Пуассона.

Расчет объемного НДС с учетом основных геологических и горнотехнических факторов

Вьиодрежпьтягс» расчет» ■ «оде карг иэопижй tjt * s,h непосредгтзето оодлозегкностыо (пертын (ормзЗлэлыми слои ицдвпч

Выделение зон, * которых возможно раскрытие естественных трещин

i юиск вертикальных сечении меделиГ" проходя ицх через »ну, опасную по _обрушению_

Вывод плоишдок: на юторыв

действует £-> Е по вертикальны» сечи ни ям

Вывод изолиний распределения r-¡e по вертикальным сечениям

Вероятность обрушения выделенного объема пор ад близка _к единице_

Выделение зоны частичного обрушения пород над о сметным пространством

Рис. 7. Блок-схема методики прогноза обрушений по результатам численного моделирования НДС массива пород методом конечных элементов

Анализ расчетных значений растягивающих деформаций и ориентировки площадок, на которые они действуют, проводится по методике (рис.7), основные положения которой заключаются в следующем:

1) объем породы с е2Е и е3Е < ар (ар - предел прочности на разрыв) именуется зоной, потенциально опасной по обрушению;

2) в объеме породы, для которого кор<е3Е < 0, где к характеризует степень нарушенности пород (0< к< 1), возможно раскрытие естественных трещин;

3) при субвертикальной ориентировке площадок максимальных растягивающих деформаций в потенциально опасной по обрушению зоне создаются условия для реализации самообрушения до поверхности;

4) при субгоризонтальной ориентировке, формируется зона частичного обрушения пород над очистным пространством.

Этот подход особенно эффективен в тех случаях, когда налегающие породы в силу действия различных, зачастую труднопрогнозируемых факторов, сохраняют устойчивость, несмотря на то, что соотношение параметров подработки находится в соответствии с номограммой (рис.1) в зоне неустойчивых обнажений.

Была проведена серия численных экспериментов для условий Кировского и Расвумчоррского рудников, анализ результатов которых осуществлялся по предлагаемой методике.

Р.З Р. 4 ]'.5

Рис. 8. Прогноз подвигания кромки обрушения по значениям растягивающих деформаций и ориентировке их площадок на Юкспорском крыле ОКР.

На рисунках 8 и 9 приведены примеры успешного прогнозирования параметров обрушения с помощью разработанной методики для Юкспорского крыла Объединенного Кировского рудника и зоны стыковки Расвумчоррского рудника и Центрального карьера.

Предполагаемое положение кромки обрушения для Юкспорского крыла ОКР (жирная пунктирная линия) получено до того, как произошло реальное обрушение подработанных пород (жирная сплошная линия). На плане видно, что прогнозные и реальные параметры обрушения близки друг к другу (рис.8).

Рис.9. Прогноз прорастания трещин на поверхности и параметров обрушения в зоне стыковки подземных (Расвумчоррский рудник) и открытых (карьер Центральный) горных работ.

В зоне стыковки подземных и открытых горных работ Расвумчоррского и Центрального рудников была выделена зона, в которой при запланированном развитии горных работ максимальные растягивающие деформации превышают предел прочности породы на разрыв - именно этот объем пород обрушился (рис.9).

отбойка по гор. +660м фактическая кромка обрушения направление площадок действия е3

зона под поверхностью, в которой значения более предела прочности породы на разрыв зона концентрации напряжений у отбитой секции

прогнозное прорастание трещины фактические трещины на поверхности

Прогнозировали также возможное прорастание трещины до дневной поверхности. Ее местоположение удовлетворительно коррелирует с трещинами, фактически образовавшимися на поверхности.

По этой методике проведены исследования технологии региональной разгрузки горизонта с опережающей отбойкой треугольников висячего бока и созданием заглубленной на нижеследующий подэтаж отрезной щелью, разработанной специалистами Горного института КНЦ РАН и Кировского рудника, на предмет оценки геомеханического состояния подработанной толщи пород. Расчеты показали, что такая технология обеспечивает быстрое наращивание критических параметров обнажений и это способствует развитию зон высоких растягивающих деформаций, выходящих на дневную поверхность (рис.10), следствием чего является планомерное обрушение подработанных пород до поверхности. Таким образом решается проблема гарантированного перемещения в отработанное пространство пустой породы, необходимой для ликвидации угрозы воздушных ударов и исключения внеплановых потерь и разубоживания руды при выпуске.

Рис. 10. Распределение максимальных растягивающих деформаций в сечении вкрест простирания рудной запежи при применении технологии региональной разгрузки горизонта

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная задача, связанная с прогнозированием параметров обрушений по результатам численного моделирования деформированного состояния подработанных пород.

Основные научные результаты и практические выводы исследований заключаются в следующем:

■ на основе результатов численного моделирования установлено, что в условиях гравитационно-тектонического поля напряжений в нетронутом массиве основным фактором, определяющим развитие обрушений подработанных пород, является соотношение тектонических напряжений к собственному весу пород и особенности их распределения в гористом рельефе. Наличие тектонической составляющей приводит к уменьшению абсолютных значений растягивающих деформаций в подработанной толще;

■ получены решения задачи о деформировании подработанных пород, позволившие установить механизм условий формирования и развития обрушений: зарождение трещин происходит в областях, приуроченных к границам заделки подработанных пород, откуда возможно их прорастание к дневной поверхности под действием различных динамических нагрузок. В толще подработанных пород выделяется зона с низкими значениями растягивающих деформаций. Размер зоны и градиент деформаций в ней обратно пропорциональны вероятности выхода трещины отрыва на дневную поверхность;

■ разработано средство исследований — компьютерная технология моделирования массива горных пород и его напряженно-деформированного состояния, которая может быть использована при решении ряда вопросов для оперативной оценки геомеханической обстановки конкретного объекта, и уже сейчас является основой экспертной системы регионального прогноза удароопасности;

■ установлены закономерности процесса самообрушения покрывающих скальных пород на рудниках ОАО "АПАТИТ" в условиях действия гравитационно-тектонического поля напряжений на основе ретроспективного анализа, учитывающего одновременно параметры подработки по простиранию и вкрест простирания рудного тела. Данные закономерности вошли в действующие «Указания по управлению обрушением покрывающих пород, охране сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на рудниках открытого акционерного общества «Апатит»;

■ разработана методика прогнозирования самообрушений на основе распределения максимальных растягивающих значений деформаций и

ориентировки их площадок, которая позволяет выявлять объемы пород, склонные к частичному обрушению в очистное пространство, а также определять возможность самообрушения подработанных пород до поверхности и предположительное положение новой кромки обрушения;

■ установленные закономерности были использованы для обоснования параметров принудительных управляемых обрушений покрывающих пород в зонах стыковки подземных и открытых горных работ между Юкспорским крылом ОКР и Саамским карьером, а также между Расвумчоррским и Центральным рудниками ОАО «Апатит», что обеспечило безопасное ведение горных работ на ближайшую перспективу;

■ показано, что технология отработки с опережающей отбойкой треугольников висячего бока и созданием заглубленной на нижеследующий подэтаж отрезной щелью при применении системы разработки с подэтажным обрушением способствует планомерному обрушению пород, так как обеспечивает скорейшее достижение критических размеров подработки;

■ разработанная методика прогнозирования самообрушений позволяет снизить риск геодинамических явлений, сопутствующих непрогнозируемым обрушениям и тем самым повысить безопасность горных работ, а также выработать рекомендации по порядку отработки, способствующие планомерному обрушению подработанных пород.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Козырев A.A., Демидов Ю.В., Мальцев В.А., Енютин А.Н., Аминов В.Н., Семенова И.Э., Доставалов Р.Н. Указания по управлению обрушением покрывающих пород, охране сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на рудниках открытого акционерного общества «Апатит». Апатиты, изд. КНЦ РАН, 2002г.- 51с.

2. Демидов Ю.В., Енютин А.Н., Семенова И.Э., Зерщиков С.Г., Гулынин И.С. Создание новой технологии отработки блоков- целиков системой подэтажного обрушения в условиях гравитационно-тектонически-напряженных массивов ОАО «Апатит» - труды симпозиума «Неделя горняка-2003», МГГУ, Москва, 2003г. - с. 218-222.

3. Козырев A.A., Демидов, Ю. В., Енютин А.Н.Мальцев В.А., Семенова Н.Э. Региональная разгрузка горизонта для предотвращения горнотектонических ударов и техногенных землетрясений // Техногенная сейсмичность при горных работах: модели очагов, прогноз, профилактика, ч.2: сб. докладов межд. совещ., Апатиты, Изд-во КНЦ РАН, 2004. -с. 149-155.

4. Семенова И.Э. К вопросу о характере потери устойчивости пород кровли очистного пространства в тектонически нагруженном массиве. В сб. докладов

«Сбалансированное природопользование на примере освоения минеральных ресурсов.» Апатиты: Кольский научный центр РАН, 2004г. -с. 44-47.

5. Демидов, Ю. В., Козырев A.A., Мальцев В.А., Енютин А.Н., Семенова Н.Э. Отработка горизонта с применением протяженных разгрузочных зон в удароопасном массиве //Геодинамика и напряжённое состояние недр Земли. Труды межд. конф., изд. ИГД СО РАН - Новосибирск, 2004. -с. 413-418.

6. Козырев A.A., Мальцев В.А., Енютин А.Н., Рыбин В.В., Семенова И.Э., Свинин B.C. Геомеханическое обеспечение безопасности отработки переходных зон между подземными и открытыми горными работами // В сб. «Горное дело в Арктике», Апатиты, 2005 -с. 35-40.

7. Енютин А.Н., Семенова И. Э. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния пород кровли с целью выявления зависимости устойчивости потолочины от формы и размеров очистного пространства // Наука и образование - 2005: Материалы междунар. научн.-техн. конф. - Мурманск: МГТУ, 2005 - с. 179-183.

8. Енютин А.Н., Семенова И.Э. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния пород кровли очистного пространства в тектонически нагруженном массиве с гористым рельефом // Наука и образование - 2005: Материалы междунар. научн.-техн. конф. — Мурманск: МГТУ, 2005-с. 184-188.

9. Козырев A.A., Енютин А.Н., Мальцев В.А., Семенова И.Э. Методика регионального прогноза удароопасности и состояния массива пород и выбора технических решений по обеспечению безопасности и эффективности горных работ. // В сб. «Инновационный потенциал Кольской науки», Апатиты, изд. КНЦ РАН, 2005, с. 52-56.

Ю.Семенова И.Э., Заровнял М.В. Об особенностях формирования численной модели переходной зоны между горными работами Юкспорского рудника и Саамского карьера //Наука и образование - 2006: Материалы междунар. научн.-техн. конф. - Мурманск: МГТУ, 2006. - с. 168-172.

11. Семенова И.Э., Методика прогноза обрушений по результатам численного моделирования деформированного состояния подработанных пород// Москва: изд. МГГУ, 2006г-приложение к №4 Горного информационно-аналитического бюллетеня - 14с. ISSN 0236-1493

Автореферат Семенова Инна Эриковна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ОБРУШЕНИЯ ПОДРАБОТАННЫХ ПОРОД В СКАЛЬНЫХ ТЕКТОНИЧЕСКИ НАПРЯЖЕННЫХ МАССИВАХ

(на примере апатитовых рудников Хибин)

Технический редактор В.А.Ганичев

Лицензия ПД 00801 от 06 октября 2000 г.

Подписано к печати 22.09.2006 Формат бумаги 60x84 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура Times/Cyrillic Уч.изд.л. 1.25. Заказ № 51. Тираж 100 экз.

Ордена Ленина Кольский научный центр им.С.М.Кирова 184209, Апатиты, Мурманская область, ул.Ферсмана, 14

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Семенова, Инна Эриковна

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Актуальность проблемы управления обрушением на отечественных и зарубежных рудниках

1.2. Горно-геологические и горнотехнические условия разработки апатитовых месторождений Хибин.

1.2.1. Геология и геомеханические условия.

1.2.2. Системы разработки.

1.3. Обзор исследований процесса обрушения покрывающих пород на апатитовых рудниках Хибин.

1.3.1. Влияние структурных особенностей массива на процесс самообрушения.

1.3.2. Исследования по управлению обрушением покрывающих пород натурными и лабораторными методами

1.3.3. Использование аналитических расчетных методов определения шага обрушения.

1.3.4. Использование численных методов в исследовании подработанных пород.

1.4. Обоснование цели и задач исследований

2. ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЯЕМЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

2.1. Основы теории деформирования и разрушения горных пород

2.2. Отрывное разрушение массива скальных пород.

2.3. Разработка компьютерной технологии моделирования массива горных пород и его напряженного состояния.

2.3.1. Основные этапы компьютерного моделирования.

2.3.2. Основы метода конечных элементов.

2.3.3. Этап формирования структурной модели и трехмерной сети конечных элементов.

2.3.4. Формирование граничных условий.

2.3.5. Решение системы уравнений.

2.3.6. Визуальная интерпретация результатов расчетов. 68 2.4. Сравнение расчетных данных, полученных с помощью созданного 76 компьютерного приложения, с данными измерений.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОДРАБОТАННОГО МАССИВА ПОРОД

3.1. Изучение напряженно-деформированного состояния потолочины одиночного очистного пространства в зависимости от формы и пути образования очистного обнажения и вида нагружения.

3.1.1. Под действием собственного веса.

3.1.2. С учетом тектонической составляющей.

3.2. Исследование напряженно-деформированного состояния подработанных пород на моделях-аналогах с учетом гористого рельефа поверхности.

3.2.1. Обоснование параметров расчетной модели.

3.2.2. Очистное пространство выше уровня долины.

3.2.2.1. НДС консольного зависания с односторонней заделкой подработанных пород.

3.2.2.2. НДС подработанных пород при трехстороннем опирании.

3.2.2.3. НДС подработанных пород при двухстороннем опирании.

3.2.3. НДС подработанных пород при расположении очистного пространства выше уровня долины.

3.2.4. Особенности напряженно деформированного состояния пород кровли очистного пространства в тектонически нагруженном массиве с гористым рельефом. 119 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

4. ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМА ОБРУШЕНИЯ ПОДРАБОТАННЫХ ПОРОД И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОБРУШЕНИЙ ДЛЯ УСЛОВИЙ РУДНИКОВ ХИБИН.

4.1. Ретроспективный анализ параметров обрушений пород до поверхности 124 на Юкспорском крыле Объединенного Кировского рудника в период с по 2005 гг

4.2. Определение параметров расчетной области и разработка 130 крупномасштабной модели для моделирования современного поля напряжений Юкспорской части ОКР.

4.3. Оценка изменения НДС подработанных пород в период с 1990 по 2000 133 годы.

4.4. Влияние геологических нарушений на напряженно-деформированное 143 состояние подработанных пород.

4.5. Сопоставление результатов моделирования НДС подработанных пород 149 для моделей-аналогов и моделей реальных объектов и выявление общих закономерностей

4.6. Использование результатов численного моделирования для выработки 155 рекомендаций по динамическому воздействию на подработанные породы.

4.7. Методика прогноза обрушений по результатам численного 158 моделирования деформированного состояния подработанных пород. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 163 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 164 Список использованных источников

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование закономерностей обрушения подработанных пород в скальных тектонически напряженных массивах"

В настоящее время происходит постоянное усложнение горнотехнических условий отработки месторождений полезных ископаемых в связи с углублением горных работ. Одним из основных процессов, влияющим на безопасность разработки недр является деформация подработанного массива горных пород. Следствием этого сложного и зависящего от массы разнообразных факторов процесса является внезапное, неконтролируемое самообрушение подработанных пород.

Для обеспечения безопасной и эффективной отработки месторождений необходимо регулярно производить оценку геомеханического состояния породного массива, составлять прогноз изменения этого состояния, вести контроль за развитием деформационных процессов и пытаться регулировать их путем изменения параметров, взаимного положения, порядка и организации ведения горных работ, а также динамическим воздействием массовых взрывов.

Процесс самообрушения и его развитие во времени и в пространстве зависит от ряда горнотехнических и горно-геологических факторов. Если первые поддаются управлению, то другая группа факторов имеет вероятностную природу и управление ими практически невозможно. Так - прочностные и деформационные свойства пород, параметры трещиноватости, могут случайным образом изменяться от точки к точке, как по площади, так и по глубине массива. В условиях гористого рельефа сложным образом изменяется и мощность толщи покрывающих пород, как по падению, так и по простиранию рудной залежи. Не менее сложным будет и напряженно-деформированное состояние подработанных пород с учетом реальной геометрии дневной поверхности, конфигурации открытых и подземных горных работ в условиях действия значительных субгоризонтальных тектонических напряжений, что характерно для горных массивов Кольского полуострова, являющихся объектом исследования данной работы.

В зависимости от горно-геологических условий залегания рудных залежей и применяемых систем разработок проблема траюуется двояко: при системах с открытым очистным пространством, или поддержанием на целиках с использованием различных видов крепей, обрушение налегающих пород (пород кровли) рассматривается как негативное явление, обуславливающее снижение безопасности работ и ухудшение количественных и качественных показателей предприятия. С другой стороны, для ряда рудников, применяющих системы разработки этажного или подэтажного обрушения, своевременное обрушение подработанных пород способствует успешному решению ряда технических вопросов. Это - исключение необходимости принудительной подрывки пустых пород с целью предотвращения воздушных ударов и замораживания горных выработок, оптимизация потерь и разубоживания руды, снижение риска динамических последствий внезапного непрогнозируемого обрушения и т.д.

Анализ работ показал, что проблема управления процессом обрушения налегающих пород до конца не решена, особенно для тектонически напряженных массивов скальных пород. Напряженно-деформированное состояние массива пород при расчете параметров самообрушения обычно учитывается в упрощенной форме по гравитационной гипотезе или не учитывается вовсе. В связи с вышеизложенным, изучение напряженно-деформированного состояния подработанных пород и управление их обрушением является важной научно-технической задачей.

Целью диссертационной работы является изучение механизма потери устойчивости пород кровли очистных выработок в скальных массивах с гравитационно-тектоническим типом исходного напряженного состояния и разработка методического подхода к прогнозу самообрушений подработанных пород.

Основная идея заключается в учете при прогнозировании обрушений особенностей НДС тектонически напряженных массивов, влияющих на повышение устойчивости подработанных пород.

Для достижения поставленной цели определены задачи исследований:

1. Разработка на основе метода конечных элементов компьютерной технологии моделирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород, позволяющей учитывать геологическое строение массива, его нарушенность выработками произвольной формы и различный характер нагружения.

2. Разработка трехмерных численных моделей для выявления наиболее значимых горно-геологических и горнотехнических факторов и изучения влияния их сочетаний на напряженно-деформированное состояние подработанных пород.

3. Изучение формирования условий и развития самообрушений налегающих пород в тектонически напряженных массивах. Уточнение механизма деформационных процессов в подработанной породной толще и обоснование области применения различных расчетных схем для прогноза параметров обрушения.

4. Разработка методики прогнозирования обрушений подработанных пород в скальных тектонически напряженных массивах на основе численного моделирования НДС.

Методы исследования. В работе применен комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение научного и практического опыта по проблеме; численное моделирование распределения напряжений и деформаций в массиве пород в объемной постановке; анализ данных об изменении кромки обрушения покрывающих пород на основе периодических маркшейдерских съемок, стандартные статистические методы обработки экспериментальных и расчетных данных.

Научная новизна работы заключается:

- разработана компьютерная технология моделирования объемного напряженно-деформированного состояния подработанных пород, позволяющая учитывать разнообразные горнотехнические и геологические факторы и отличающаяся возможностью прогноза параметров обрушения;

- разработана методика прогнозирования вероятного развития обрушения налегающих пород по данным математического моделирования для конкретных условий подработки, учитывающая ориентировку площадок максимальных растягивающих деформаций;

- установлены основные особенности напряженно-деформированного состояния подработанных пород при действии в массиве тектонических сил, заключающиеся в наличии области пониженных значений растягивающих деформаций, разделяющей зоны их концентраций в районе опирания подработанных пород и у дневной поверхности;

- обосновано обеспечение планомерного обрушения налегающих пород при применении системы разработки с подэтажным обрушением и опережающей отбойкой треугольников висячего бока за счет увеличения абсолютных значений растягивающих деформаций и выхода области их действия на дневную поверхность.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Начало образования трещины в кровле прямоугольного очистного обнажения наиболее вероятно по вертикальной плоскости симметрии вдоль длинной оси обнажения при соотношении сторонL/1 =0.4, если Т<ЪуН.

2. Обрушение пород до дневной поверхности при действии тектонических напряжений развивается снизу вверх в несколько стадий: первая - развитие и накопление трещин отрыва в зонах с максимальными значениями растягивающих деформаций, приуроченных к границам заделки подработанных пород; вторая - слияние трещин и формирование магистрального разрыва; третья - образование единой плоскости обрушения до дневной поверхности при накоплении массивом энергетического потенциала, необходимого для преодоления зоны с пониженными растягивающими деформациями.

3. Методика прогнозирования параметров обрушений налегающих пород в скальных массивах, основанная на численном моделировании объемного напряженно-деформированного состояния и использующая критерии разрушения как по абсолютным значениям растягивающих деформаций, так и по ориентации их площадок с учетом нарушенности пород.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обоснована:

- сходимостью результатов численного моделирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород с результатами натурных исследований;

- соответствием прогнозных параметров зон обрушения, полученных с помощью численных экспериментов, данным фактических параметров самообрушений покрывающих пород;

- положительным опытом выполнения рекомендаций по созданию условий обрушения подработанных пород на Юкспорском крыле Объединенного Кировского рудника (ОКР).

Реализация работы в промышленности.

Результаты работы использовались при разработке «Указаний по управлению обрушением покрывающих пород, охране сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на рудниках открытого акционерного общества «Апатит» 2002 года, для прогноза развития обрушения при отработке Юкспорского месторождения, а также при отработке стыковочных зон: между Юкспорским крылом ОКР и Саамским карьером; между Расвумчоррским рудником и Центральным карьером ОАО «Апатит».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на технических советах, комиссиях по горным ударам ОАО «Апатит», на международных конференциях «Геодинамика и напряженное состояние недр земли» в 2003г. и 2004г. в г. Новосибирске, «Наука и образование» в г. Мурманске в 2005г., «Горное дело в Арктике» в г. Апатиты в 2005г, были изложены в научно-исследовательских отчетах Горного института КНЦ РАН, опубликованы в научных статьях.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержит 175 страниц машинописного текста, включая 83 рисунков, 7 таблиц и списка использованной литературы из 101 наименования. Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность научному руководителю работы Заслуженному деятелю науки Российской Федерации, профессору, доктору технических наук А.А. Козыреву за помощь в постановке проблемы и руководство исследованиями; доктору технических наук профессору Ю.В. Демидову, доктору технических наук С.Н. Савченко, кандидатам технических наук В.В. Рыбину, В.И. Панину, Ю.В. Федотовой за обсуждение результатов, ценные советы и внимание к работе. Следует с признательностью отметить большой вклад в проведенные исследования кандидатов технических наук А.Н. Енютина и

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Семенова, Инна Эриковна

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

1. Выявленные на моделях-аналогах особенности напряженно-деформированного состояния в тектонически напряженных массивах горных пород с гористым рельефом характерны также для Хибинских месторождений, что показали результаты численного моделирования с учетом реальных условий для нескольких объектов.

2. Показано, что наиболее вероятной причиной внезапных самообрушений пород является зарождение трещин в областях их интенсивного развития, приуроченных к границам заделки подработанных пород и их прорастание к дневной поверхности под действием естественной и техногенной сейсмичности.

3. Предложенный механизм формирования условий и развития обрушений позволяет сформулировать следующие основные принципы их управлением:

- пассивный, то есть обрушение произойдет тогда, когда параметры подработки или суммарные воздействия на массив от различного рода нагрузок окажутся достаточными для роста трещин до дневной поверхности

- активный - импульсное воздействие на массив. При этом источники импульса целесообразно расположить вдоль границ опирания подработанных пород, то есть в областях с высокими растягивающими деформациями, а мощность их воздействия на массив по простиранию залежи, должна быть пропорциональна росту мощности подработанных пород.

4. Предложена и опробована методика прогноза обрушений подработанных пород с использованием компьютерной технологии моделирования НДС породного массива для конкретной горнотехнической ситуации. Такая методика является хорошим дополнением к «Указаниям по управлению обрушением подработанных пород.», особенно в тех случаях когда реально сложившаяся ситуация не соответствует закономерностям, полученным на основе ретроспективного анализа. Проведенные исследования позволили сформулировать третье научное положение, которое представлено следующим образом:

Методика прогнозирования параметров обрушений налегающих пород в скальных массивах, основанная на численном моделировании объемного напряженно-деформированного состояния и использующая критерии разрушения, как по абсолютным значениям растягивающих деформаций, так и по ориентации их площадок с учетом нарушенности пород.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная научная задача, связанная с разработкой методики прогнозирования обрушения подработанных пород в скальных массивах при действии гравитационных и тектонических сил. Внедрение разработанной методики в качестве дополнения к действующим «Указаниям по управлению обрушением покрывающих пород, охране сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на рудниках открытого акционерного общества "АПАТИТ"» позволяет повысить безопасность горных работ в удароопасных условиях.

Основные научные результаты и практические выводы исследований заключаются в следующем: на основе результатов численного моделирования установлено, что в условиях гравитационно-тектонического поля напряжений в нетронутом массиве основным фактором, определяющим развитие обрушений подработанных пород, является соотношение тектонических напряжений к собственному весу пород и особенности их распределения в гористом рельефе. Наличие тектонической составляющей приводит к уменьшению абсолютных значений растягивающих деформаций в подработанной толще; получены решения задачи о деформировании подработанных пород, позволившие установить механизм условий формирования и развития обрушений: зарождение трещин происходит в областях, приуроченных к границам заделки подработанных пород, откуда возможно их прорастание к дневной поверхности под действием различных динамических нагрузок. В толще подработанных пород выделяется зона с низкими значениями растягивающих деформаций. Размер зоны и градиент деформаций в ней обратно пропорциональны вероятности выхода трещины отрыва на дневную поверхность; разработано средство исследований - компьютерная технология моделирования массива горных пород и его напряженно-деформированного состояния, которая может быть использована при решении ряда вопросов для оперативной оценки геомеханической обстановки конкретного объекта, и уже сейчас является основой экспертной системы регионального прогноза удароопасности; установлены закономерности процесса самообрушения покрывающих скальных пород на рудниках ОАО "АПАТИТ" в условиях действия гравитационно-тектонического поля напряжений на основе ретроспективного анализа, учитывающего одновременно параметры подработки по простиранию и вкрест простирания рудного тела. Данные закономерности вошли в действующие «Указания по управлению обрушением покрывающих пород, охране сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на рудниках открытого акционерного общества «Апатит»; разработана методика прогнозирования самообрушений на основе распределения максимальных растягивающих значений деформаций и ориентировки их площадок, которая позволяет выявлять объемы пород, склонные к частичному обрушению в очистное пространство, а также определять возможность самообрушения подработанных пород до поверхности и предположительное положение новой кромки обрушения; установленные закономерности были использованы для обоснования параметров принудительных управляемых обрушений покрывающих пород в зонах стыковки подземных и открытых горных работ между Юкспорским крылом ОКР и Саамским карьером, а также между Расвумчоррским и

Центральным рудниками ОАО «Апатит», что обеспечило безопасное ведение горных работ на ближайшую перспективу; показано, что технология отработки с опережающей отбойкой треугольников висячего бока и созданием заглубленной на нижеследующий подэтаж отрезной щелью при применении системы разработки с подэтажным обрушением способствует планомерному обрушению пород, так как обеспечивает скорейшее достижение критических размеров подработки; разработанная методика прогнозирования самообрушений позволяет снизить риск геодинамических явлений, сопутствующих непрогнозируемым обрушениям и тем самым повысить безопасность горных работ, а также выработать рекомендации по порядку отработки, способствующие планомерному обрушению подработанных пород.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Семенова, Инна Эриковна, Апатиты

1. Александров А. В., Потапов В. Д. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высш. шк., 1990. - 400 с.

2. Амусин Б. 3. Геомеханические основы определения параметров, расчета и автоматизированного проектирования крепи капитальных выработок угольных шахт. Автореф. дисс. докт. техн. наук, -JL, 1989. (ВНИМИ).

3. Атлас физических свойств минералов и пород Хибинских месторождений / И.А.Турчанинов, М.П. Воларович, А.Т. Бондаренко и др. Л.: Наука, 1975. - 71 с.

4. Баклашов И. В. Деформирование и разрушение породных массивов. -М.: Недра, 1988.

5. Бахурин И. М. Сдвижение горных пород под влиянием горных разработок. М., Гостоптехиздат, 1946.

6. Бенявски 3. Управление горным давлением: Пер. с англ.-М.: Мир, 1990.- 254с.

7. Борейко Ф.И. Методика и результаты исследования процесса обрушения налегающих пород при разработке мощных наклонных рудных тел (на примере рудников комбината «Апатит»). Автореферат кандидатской диссертации, Л.Д967. (гл.1-11)

8. Борщ-Компониец В. И. Механика горных пород, массивов и горное давление. М., 1968. - 484 с.

9. Галаев Н.З., Крапивин В.Н., Гущин В.В., и др. Основные направления в совершенствовании разработки нижних горизонтов апатитовых рудников. Горный журнал, 1971, №4.

10. Динник А. Н., Савин Г. Н., Моргаевский А. Б. Распределение напряжений вокруг подземных горных выработок // Труды совещания по управлению горным давлением / АН СССР. -М, 1938- С. 7-55.

11. Изыскание рациональной системы порядка отработки Хибинских апатитовых месторождений с учетом фактора удароопасности руд и пород. Промежуточный отчет пох/д№1580, фонды ЛГИ, 1981.

12. Исследование устойчивости покрывающих пород и обоснование способов и параметров управления их состоянием при применении систем с массовым обрушением на рудниках ПО «Апатит», отчет по х/д №1580, фонды ЛГИ, 1982.

13. Исследование методами математического моделирования задачи оптимизации порядка отработки блоков на нижних горизонтах апатитовых рудников. Рукопись, фонды ЛГИ, 1970

14. Исследование условий разработки и выбор направления развития очистных работ на нижних горизонтах Кировского рудника. Рукопись, фонды ЛГИ, 1969

15. Кашников Ю. А., Ашихмин С.Г. Численная модель для расчета сдвижений горных пород при добыче нефти // Проблемы механики горных пород/ Сборник научных трудов 11-й Российской конференции по механике горных пород. Санкт- Петербург: СПГАСУ, 1997.

16. Клишин В., Климов В., Пирогова М. Интегрированные технологии CV // Открытые системы, №2,1997, с.67-72.

17. Козырев А.А. Геодинамическая безопасность на рудниках Кольского полуострова // Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых и освоения подземного пространства Северо-Запада России. Апатиты, Изд. КНЦ РАН, 2001. -С.21-39

18. Козырев А.А. Дифференциация тектонических напряжений в верхней части земной коры с целью управления динамическими проявлениями горного давления: Автореф. дис. докг. техн. наук (01.02.07). Новосибирск, 1993. - 43с.

19. Козырев А.А. Исследование устойчивости и условий поддержания горизонтальных выработок на апатитовых рудниках Хибинского массива: Автореф. дис. . канд. техн. наук (05.313). Апатиты, 1973. - 30с.

20. А.А.Козырев, В.А. Мальцев, В.И. Панин, В.В. Рыбин Опыт профилактики горных ударов на Хибинских апатитовых рудниках // Горный Журнал. 1998. - № 4. - С.47-51.

21. Козырев А.А., Савченко С.Н., Мальцев В.А. Особенности напряженного состояния и самообрушения пород висячего бока при отработке мощных месторождений в условиях действия тектонических сил // Проблемы механики горных пород. М., 1987. - С. 195-200.

22. Кузнецов М.А., Акимов А.Г., Кузьмин В.И., и др. Сдвижение горных пород на рудных месторождениях. М., Недра, 1971

23. Кузьмин Е.В., Узбекова А.Р. Самообрушение: путь развития. Горный журнал, 2005, №8

24. Лавров Н.А., Слепян Л.И. К теории разрушения твердых тел при сжатии // Записки Лен. горн. инст. -1991. Том 125. - С. 48-54.

25. Ланкастер П. Теория матриц М.: Наука, 1982.

26. Лодус Е. В. Энергообмен при деформировании и разрушении горных пород. Автореф. дисс. докт. техн. наук, С. -Петербург, 1993. (ВНИМИ).

27. Максимов А.Г. Исследование устойчивости выемочных блоков на примере подземных рудников комбината «Апатит». Кандидатская диссертация. М., 1968

28. Марков Г.А., Савченко С.Н. Напряженное состояние пород и горное давление в структурах гористого рельефа. Л.: Наука, 1984. - 140 с.

29. Метод конечных элементов в задачах механики горных пород. Ержанов Ж. С., Каримбаев Т. Д. Алма-Ата, Наука КазССР, 1975.

30. Метод конечных элементов: Учебное пособие для Вузов под редакцией П.М. Варвака. Киев: Вища школа, 1981.

31. Методология расчета горного давления //С.В.Кузнецов, В.Н. Одинцев,М.Э.Слоним,

32. B.А.Трофимов. М.: Наука, 1981,104 с.

33. Механизм инициирования динамических явлений в подготовительных забоях / Ж.

34. C. Ержанов, Ю. А. Векслер, Н. А. Жданкин, С. Б. Колоколов. Алма-Ата: Наука, 1984. - 224 с.

35. Моделирование проявлениий горного давления // Кузнецов Г. Н., Будько М. Н., Васильев Ю. И., Шклярский М. Ф., Юревич Г. Г. М.: Недра, 1968. -280 с

36. Мустафин М. Г., Петухов И. М. Механизм и энергия разрушения прочного слоя в почве подготовительной выработки. Горный информационно-аналитический бюллетень. -М.: МГГУ, 2002. -№ 10. С. 36 - 41.

37. Мустафин М.Г. Научные основы прогноза и предотвращения горных ударов с разрушением пород почвы в подготовительных выработках угольных шахт. Автореф. дис. докт. техн. наук (25.00.20). Санкт-Петербург, 2003. - 37с.

38. Нестеренко Г.Т., Борейко Ф.И. и др. Исследование устойчивости толщи налегающих пород при разработке апатито-нефелинового месторождения комбинатом «Апатит». Отчет по теме №82, фонды ВНИМИ, JL, 1963

39. Никитин JI.B., Одинцев В.Н. Образование протяженных сомкнутых трещин отрыва в хрупких горных породах//Докл. АН СССР. 1987. -T.294.-N4.-C. 814-817.

40. Николин В.И. Гипотеза механизма выброса породы // Выбросы породы и газа. -Киев: Наукова думка, 1971, с. 16-21.

41. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов: пер. с англ. М.: Мир, 1981.-304с.

42. Одинцев В. Н. Закономерности образования отрывных трещин в горных породах вблизи выработок на больших глубинах. / Автореф. дисс. докт. техн. наук. М.: ИПКОН РАН, 1998.

43. Одинцев В.Н., Трофимов В. А., Трумбачева СВ., Шильцев В. А. Устойчивость горных выработок по фактору стреляния, заколообразования и шелушения // Вопросы механики горных пород (ред. Н.М.Осипенко)- М.: ИПКОН АН СССР, 1979, с. 3-34.

44. Одинцев В.Н., Трофимов В.А. О моделировании на ЭВМ стреляния и контроля удароопасности шелушения пород в горных выработках //Горные удары, методы оценки и массивов горных пород (ред.И.М.Петухов и др.). Фрунзе: Илим, 1979, с. 105-111.

45. Одинцев В.Н. Отрывное разрушение массива скальных горных пород. М.: ИПКОН РАН, 1996.-166с.

46. Основы математического моделирования разрушения / М. В. Курленя, В. Е. Миренков, А. В. Шутов. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1998. - 168 с.

47. Петухов И. М., Линьков А. М. Механика горных ударов и выбросов.-М.: Недра, 1983,280с.

48. Пискарев В.К., Ефимов Е.П. Сдвижение горных пород при подземной разработке апатито-нефелиновых месторождений Кольского полуострова. Тр. ВНИМИ, №83, Л.,1971

49. Прочность и деформируемость горных пород / Ю. М. Карташов, Б. В. Матвеев, Г. В. Михеев, А. Б. Фадеев. М.: Недра, 1979

50. Пыхалов А.А. Компьютерные технологии в инженерном моделировании // «Компьютерное обозрение», 1998, №4 (35)

51. Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов: Справочное пособие / И. М. Петухов, А. М. Линьков, В. С. Сидоров и др. М.: Недра, 1992-256 с

52. Рыбин В.В. Геомеханическое обоснование отработки стыковочных зон между подземными рудниками и карьерами в удароопасных условиях (на примере апатитовых рудников Хибин). Автореф. дис. канд. техн. наук (05.15.11). Апатиты,2000. 26с.

53. Свинин B.C. Геомеханическое обоснование технологии и систем контроля массива пород при отработке стыковочных зон подземным и открытым способами. Автореф. дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. Апатиты, 2003.

54. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов М.: Мир, 1979.

55. Сейсмичность при горных работах. Апатиты, изд-во КНЦ РАН, 2002.

56. СлепянЛ.И. Механика трещин. -Л.: Судостроение, 1990.

57. Ставрогин А, Н., Георгиевский В. С. Влияние вида нагружения на процесс деформирования горных пород // Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ / Сб. науч. тр. Л., ВНИМИ, 1968. С. 279-289.

58. Ставрогин А. Н., Протосеня А. Г. Механика деформирования и разрушения горных пород.— М.: «Недра», 1992. — 224 с.

59. Ставрогин А. Н., Тарасов Б. Г. Экспериментальная физика и механика горных пород. СПб.: «Наука», 2001. - 343 с.

60. Тарасов Б. Г. Баланс энергии хрупкого разрушения в условиях объемного напряженного состояния. ФТПРПИ, 1989, № 2. - С. 11-18.

61. Тектонические напряжения в земной коре и устойчивость горных выработок / И.А.Турчанинов, Г.А. Марков, В.И. Иванов, А.А. Козырев. Л.: Наука, 1978. - 256 с.

62. Тимофеев В.В. Промышленное применение локальных методов оценки удароопасности горных выработок на рудниках АО"Апатит" // Комплексная разработка рудных месторождений и вопросы геомеханики в сложных и особо сложных условиях. Апатиты, 1995. - С. 46-56.

63. Управление горным давлением в тектонически напряженных массивах. Часть1 // Апатиты, Изд-во КНЦ РАН, 1996.

64. Управление горным давлением в тектонически напряженных массивах. Часть 2, Апатиты, Изд-во КНЦ РАН,1996г.

65. Управление обрушением налегающих пород на подземных рудниках. Отчет по х/д №3778. Рук. Крапивин В.Н., фонды ЛГИ, 1980

66. Управление покрывающими породами при отработке стыковочных зон между рудниками и карьерами на апатитовых месторождениях Хибин / А.А. Козырев, B.C.

67. Свинин, В.А. Мальцев, А.Н. Енютин, В.В. Рыбин // Комбинированная геотехнология: проектирование и геомеханические основы: Тез. докл. Междунар. Научн.-техн.конф. Магнитогорск, 2001.-С.13-14.

68. Ухов С.Б. Расчет сооружений и оснований методом конечных элементов. М.: Изд-воМИСИ, 1973.

69. Фадеев А. Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987.

70. Фотиева Н. Н. Расчет обделок тоннелей некругового поперечного сечения. М.: Стройиздат, 1974.

71. Хейгеман JL, Янг Д. Прикладные итерационные методы М.: Мир, 1986, 448 с.

72. Экспрессные способы определения удароопасности / В.И. Панин, А.А. Смирнов, В.В.Тимофеев и др. // Научно-технический прогресс в производственном объединении "Апатит". М.: ГИГХС, 1989. - С. 126-132.

73. Ashby M.F. HallamS.D. The failure of brittle solids containing smallcracks under compressive stress state // Acta Metall. 1986. - V.34. - P.497-510.

74. Barton N., Lien R., Lunde J. Engineering classification of rock masses for design of tunnel support. Rock Mechanics, 1974, № 6, p. 189-236.

75. Bieniavski Z. T. Classification system in used to predict rock mass behaviour. World Construction, 1976, vol.29, №5, p.45.

76. Dey T.N., Wang Chi- Yuen. Some mechanisms of microcrack growth and>. interaction in compressive rock failure//Int. J.Rock Mech.Min.Sci. 1981.-V.18.-N3.-P. 199-209.

77. Fairhurst C., Cook N.G. W. The phenomenon of rock splitting parallel tQthe direction of maximum compression in the neigbourhood of a surface //Proc. First Congr. Intern. Soc. Rock Mech.- 1966. V.I.- P. 687-692

78. Gallagher Richard H. Finite Element Analysis: Fundamentals. New Jersey: Prentice-Hall, 1976.

79. Gramberg J. The ellipse with notch theory to explain axial cleavage fracturing of rocks (a natural extension to the first Griffith theoiy) // IntJ. Rock Mech. Min.Sci. 1970. - Vol.7. -P.537-559.

80. Kaiser P., Tannat D., McCreath D. Drift support in burst prone ground. - The Canadian Minning and Metallurgical Bulletin, 1996, Volume 89, pp. 131 - 138.

81. Kemeny J. М. A model for non-linear rock deformation under compressiondue to sub-critical crack growth // IntJ. Rock Mech. Min.Sci. 1991. -V.28. - N 6. - P. 459-467.

82. Marklund I., Hustrulid W. Large Scale underground mining, new equipment and a better underground evironment - result of a research and development at LKAB, Sweden // Transactions of institute of Mining industry; vol.104; Sept.- Dec. 1993; A125 - A194.

83. Nemat-Nasser S., Horii H. Compression-induced nonplanarcrackextent ion with application to splitting, exfoliation and rockburst // J.Geophys. Res. 1982. - Vol. 87. - P. 6805.

84. Segerlind L. J. Applied Finite Element Analysis. London: John Wiley, 1975.

85. Stacey T.R. A simple extention strain criterion for fracture of brittle rockII Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 1981. -V.I8. - P. 469-474.

86. Yu Т., Vongpaisal S. New blast damage criteria for underground blasting. The Canadian Minning and Metallurgical Bulletin, 1996, Volume 89, pp. 139 - 145.

87. Zienkiewicz О. C. The Finite Element Method in Engineering Science. London, Me. Graw-Hill, 1971.

88. Zienkiewicz О. C., Mroz Z. Generalized Plasticity Formulation and Application to Geomechanics. Mech. Eng. Materials, John Wiley & Sons, 1984, pp. 655-679.