Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обеспечение устойчивости подземных горных выработок в удароопасных условиях

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

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Поль, Валерий Густавович

Введение.

1. Изученность вопроса и задачи исследований.

1.1. Проблема обеспечения устойчивости подземных горных выработок на рудниках в удароопасных условиях.

1.2. Состояние изученности вопроса обеспечения устойчивости выработок в удароопасных условиях.

1.3. Обоснование проблемы в области обеспечения устойчивости горных выработок на рудных месторождениях в удароопасных условиях и задачи исследований.

Выводы.

2. Обоснование параметров геомеханической модели, характеризующей формирование напряженного состояния в зоне влияния очистных ра' бот на удароопасных рудных месторождениях. ^

2.1. Горно-геологические условия, прочностные и упругие характеристики пород на удароопасных месторождениях.

2.2. Прогнозная оценка напряженного состояния массива пород на глубоких горизонтах рудных месторождений.

2.3. Геометрические и геомеханические параметры модели.

2.4. Анализ факторов, определяющих параметры геомеханической модели вторичного поля напряжений при расчёте крепи и места расположения подготовитель!1 IX и нарезных выработок.

Выводы.

3. Исследования закономерностей формирования напряжений на контуре очистных, подготовительных выработок и их сопряжений в процессе образования выработанного пространства.

3.1. Исследование формирования вторичного поля напряжений в зоне влияния очистных работ.;.

3.2. Закономерности формирования напряжений в рудном массиве и породах лежачего бока при образовании выработанного пространства на горизонте.

3.3. Определение напряжений на контуре очистных и подготовительных вы- 58 работок.

3.4. Исследование закономерностей распределения напряжений вокруг подготовительных, нарезных выработок . и сопряжений.

Выводы.

4. Оценка напряженного состояния подготовительных, нарезных выработок, сопряжений и разработка мер по обеспечению их устойчивости в удароопасных условиях.

4.1. Оценка устойчивости выработок и их сопряжений в зоне влияния очистных работ.

4.2. Рекомендации по обеспечению устойчивости подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений в удароопасных условиях.

4.2.1. Мероприятия по снижению напряжений на контуре подготови -тельных и нарезных выработок в процессе проходки или на стадии проектирования.

4.2.2. Рекомендации по креплению подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений в удароопасных условиях.

4.3. Внедрение результатов исследований на горнорудных предприятиях.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обеспечение устойчивости подземных горных выработок в удароопасных условиях"

Актуальность проблемы Развитие горнорудной промышленности неизбежно связано с увеличением глубины разработки. Вследствие этого, возрастают опасные проявления горного давления. Борьба с этими проявлениями, рациональное управление на основе знаний закономерностей - одна из важнейших задач горной науки и практики на этапах строительства и эксплуатации подземных рудников на глубоких горизонтах.

Горное давление может проявляться в различном виде, но наиболее сильными и катастрофическими являются горные удары. Горные удары нарушают нормальное функционирование предприятий, создают опасность для работающих, ведут к дополнительным затратам на восстановление разрушенных выработок. Рассматривая проблему горных ударов в целом, можно отметить, что затраты на предупреждение горных ударов на рудниках, сегодня составляют в удельном весе всех затрат на 1 т руды от 10 до 30 %.

Одним из главных концентраторов напряжений являются горные выработки, особенно те, которые попадают в зону ведения очистных работ - это подготовительные и нарезные. На устойчивость данных выработок оказывает влияние, так называемое, вторичное поле напряжений, возникающее при образовании выработанного пространства, при разработке наклоннопадающих рудных месторождений.

Эффективной мерой снижения степени удароопасности в горной выработке является перечень мероприятий, предусмотренных «Инструкцией по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, объектах строительства, подземных сооружений, склонных и опасных по горным ударам». (РД06-329-99) Госгортехнадзор РФ, НТЦ «Промышленная безопасность», 2002 г. Дополнительно к этому документу могут быть разработаны меры, базирующиеся на знании закономерностей формирования напряжений в выработке с учетом влияния очистных работ и управлении выбором параметров крепи и временем ее установки. На выполнение данного комплекса работ и разработку мероприятий по обеспечению устойчивости выработок в процессе строительства и эксплуатации направлена данная диссертационная работа.

В основу диссертации положены результаты научно-исследовательских хоздоговорных работ, выполненных Институтом горного дела УроРАН с участием автора и практики проектирования горнорудных предприятий институтом Уралгипроруда.

Объект исследований - массив горных пород вокруг подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений.

Предмет исследований - закономерности распределения напряжений в массиве пород вокруг подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений.

Цель работы - исследование закономерностей формирования напряжений в массиве пород вокруг выработок и их сопряжений для обеспечения их устойчивости в процессе эксплуатации.

Основная идея работы заключается в том, что при расчёте параметров напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок и выборе крепи для их поддержания учитывается вторичное поле напряжений, вызванное образованием выработанного пространства, на основе закономерностей упругого деформирования массива при действии тектонического и гравитационного полей напряжений.

Задачи исследований для достижения поставленной цели:

1. Установить закономерности формирования вторичного поля напряжений вокруг выработанного пространства по простиранию и вкрест простирания рудного тела.

2. Установить закономерности распределения напряжений вокруг сопряжений горных выработок в тектоническом поле напряжений.

3. Разработать методы оценки устойчивости горных выработок и сопряжений в удароопасных условиях.

-54. Разработать технические мероприятия по управлению напряженно-деформированным состоянием массива пород вокруг выработки и выбору вида и параметров крепи в удароопасных условиях.

5. Провести специальные промышленные эксперименты по исследованию достоверности и надежности теоретических положений и методов расчета.

Методы исследований. В работе применен комплекс методов исследований, включающий: научный анализ, обобщение результатов ведущих исследований и практики эксплуатации рудных месторождений, математическое моделирование напряженно-деформированного состояния массива пород и выработок, промышленные эксперименты.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Величина вторичного поля горизонтальных напряжений вблизи контура рудного массива и в породах лежачего бока в два раза превышает первоначальные горизонтальные напряжения в нетронутом массиве и на расстоянии 0,3Z и 0,4L от пролета выработанного пространства (соответственно, в породах лежачего бока и в рудном массиве) снижается до уровня первоначальных. Вертикальные напряжения в рудном массиве и породах лежачего бока при любом размере выработанного пространства остаются равным весу пород (JH).

2. Максимальный уровень концентрации напряжений в кровле типовых сопряжений достигает 3,8 от первоначальных горизонтальных напряжений в месте перехода на две сопрягающиеся выработки. Целик между двумя сопрягающимися выработками находится в состоянии одноосного сжатия по вертикали, и вертикальное давление достигает двойной величины уН при одновременном оконтури-вании целика с двух сторон.

3. Параметры крепи для поддержания выработок и их сопряжений в удароопасных условиях зависят от величины зоны концентрации напряжений вокруг контура выработки, вызванной вторичным полем напряжений в рудном массиве и породах лежачего бока. Для обеспечения устойчивости выработок максимальные напряжения на контуре выработки или сопряжения, в кровле и боках, должны быть меньше 0,7 предела прочности упрочненного массива.

Научная новизна исследований состоит в:

- установлении зависимостей формирования вторичного поля напряжений по простиранию рудного тела и в породах лежачего бока в зависимости от пролета выработанного пространства и первоначального поля напряжений; - выявлении решением трехмерных задач закономерностей распределения напряжений на контуре сопряжения горных выработок в тектоническом поле напряжений в массиве пород.

Практическая значимость работы состоит в:

- разработке методики оценки устойчивости горных выработок и сопряжений, позволяющая на стадии проектирования установить параметры крепи в удароопасных условиях;

- разработке технических мероприятий по снижению напряжений в массиве пород вокруг выработок и крепи в процессе проходки и эксплуатации, которые могут быть использованы на стадии проектирования.

Реализация результатов работы. Разработана «Инструкция по креплению горизонтальных выработок и их сопряжений в удароопасных условиях на шахтах Высокогорского ГОКа». В проекты вскрытия новых горизонтов шахты «Южная» Гороблагодатского рудоуправления (гор.-320 м) и шахты Естюнинская Высокогорского комбината (гор.-240 м) заложена эллипсовидная форма сопряжений подготовительных выработок.

Личный вклад автора состоит в:

- в постановке задач, их решении и формулировке рабочих гипотез;

- формулировке и обосновании научных положений;

-7- установлении закономерностей формирования вторичного поля напряжений в зоне влияния очистных работ;

- разработке методов оценки устойчивости выработок и выборе параметров крепи в удароопасных условиях.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных конференциях «Геомеханика в горном деле» - в 2000; 2002 гг., региональной конференции «Проблемы и перспективы подземного строительства на Урале в XXI веке» (16-18 мая 2001 г., г.Екатеринбург), на семинаре по геомеханике горных пород в Институте горного дела УрО РАН в

1999, 2000 гг., на научно-технических советах Гороблагодатского РУ й

Высокогорского комбината.

Достоверность научных положений диссертационных исследований обеспечивается представительным объемом анализируемой информации о фактическом состоянии подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений в удароопасных условиях; установленные расчетные зависимости подтверждены промышленным экспериментом и моделированием, а также результатами, полученными другими исследователями.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных трудах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 128 страницах, включая 33 рисунка, 18 таблиц, список литературы из 72 наименований, 12 приложений.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Поль, Валерий Густавович

Выводы

1. Разработана методика оценки устойчивости выработок и их сопряжений в зоне влияния очистных работ, с учетом вторичного поля напряжений.

2. Разработаны мероприятия по снижению напряжений на контуре выработок и сопряжений за счет изменения формы поперечного сечения. При этом можно снизить напряжения в 1,4 раза. Предложен порядок проходки сопряжений под эстрым (15°- 50°) углом, позволяющий снизить взаимное влияние сопрягающихся выработок и напряжений в целике в удароопасных условиях.

- 107-Заключение N

Диссертационная работа является научным трудом, в котором разработаны методические положения по обеспечению устойчивости подготовительных, нарезных выработок в удароопасных условиях при подземной разработке рудных наклоннопадающих месторождений системами с обрушением, они включают технические мероприятия по снижению напряжений на контуре выработок на стадии проектирования и проходки, установление закономерностей формирования вторичного поля напряжений в рудном массиве и породах лежачего бока, оценку устойчивости выработок и их сопряжений в удароопасных условиях с учетом параметров вторичного поля напряжений и разработку методики выбора крепи, их совокупность можно квалифицировать как решение важной задачи геомеханики.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

Г.Обоснованы параметры геомеханической модели для определения параметров вторичного поля напряжений в рудном массиве и породах лежачего бока наклоннопадающих рудных месторождений, позволяющие оценить степень устойчивости подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений в удароопасных условиях.

2. Определены закономерности формирования параметров вторичного поля напряжений вокруг выработанного пространства, которые-зависят от первоначального напряженного состояния месторождения, угла наклона рудной залежи и размеров выработанного пространства. Максимальные величины вторичных напряжений на контуре рудного тела могут достигнуть 6 JH.

Установлены аналитические зависимости величины параметров вторичного поля напряжений в рудном массиве и породах лежачего бока от величины выработанного пространства на горизонте.

3. Установлено, что по простиранию рудной залежи при различных углах падения и уровне первоначального напряженного состояния массива пород параметры вторичного поля напряжений сохраняются на уровне первоначальных на расстоянии 0,4Z и в породах лежачего бока 0,3L от контура рудного тела (L - пролет выработанного пространства на горизонте).

4. Подготовительные, нарезные выработки и их сопряжения испытывают различное по величине воздействие вторичного поля напряжений в зависимости от их расположения. Поэтому оценку устойчивости и расчет параметров крепи необходимо производить с учетом параметров вторичного поля напряжений.

5. Разработана методика оценки состояния устойчивости подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений в удароопасных условиях в зависимости от геометрических размеров выработки.

6. Исследованиями на объемных моделях характера распределения напряжений вокруг сопряжений горных выработок в тектоническом поле напряжений установлено, что наиболее подвержены возможности возникновения горных ударов при проходке и эксплуатации сопряжения выработок под острым углом(15° -50°).

Предложены мероприятия по снижению напряжений на контуре сопряжений в 1,4 раза и порядок их проходки, исключающий возможность возникновения горного удара.

7. Определен порядок выбора крепи подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений и перечень мероприятий по снижению напряжений на период проходки, позволяющий обеспечить устойчивость выработок в удароопасных условиях.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Поль, Валерий Густавович, Екатеринбург

1. Липин Я.И. Прогнозирование и предупреждение горных ударов в выработках при разработке железорудных месторождений Урала: Дис. канд. техн. наук. ИГД УрО РАН. Екатеринбург, 1984. - 241 с.

2. Зейц Ф.Ю. Породные взрывы на Таштагольском железном руднике.// Горн, журнал. 1967. - №8.-С. 49-52.

3. Напряженно-деформированное состояние массива в зоне очистной выемки

4. Шрепп Б.В., Мозолев А.В., Бояркин В.И. и др. // Горн, журнал. 1979. - № 12. -С.41-43.

5. Егоров П.В. Прогноз и предотвращение горных ударов. // Безопасность труда в пром-ти. 1978. - №7. - С.35-37.

6. Горные удары. Прогноз и предотвращение / Марков Г.А., Иванов В.И., Козырев А.А., Ловчиков А.В. // Безопасность труда в промышленности.1977. -№7.- С.49-51.

7. Марков Г.А. Тектонические напряжения и горное давление в руднике Хибинского массива. Л.: Наука, 1977. - 213 с.

8. Методические указания по прогнозу устойчивости и поддержанию выработок на глубинных горизонтах Хибинских рудников. Утв. 17.03.77. Апатиты:1. КФ АН СССР, 1977. -70 с.

9. Методические указания по расчету напряжений вокруг выработок в условиях влияния тектонических сил и по борьбе со «стреляниями» горных пород на Хибинских рудниках. Утв. 20.09.77 г. Апатиты: КФ АН СССР, 1977. - 70 с.

10. Шерман С.И., Днепровский Ю.Д. Поля напряжений земной коры и геолого-структурные методы их изучения. Новосибирск: Наука, 1989. -155 с.

11. Поля напряжений и деформаций в земной коре // Сб. научн. трудов -М.: Наука, 1987.- 183 с.

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

13. Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механикигорных пород. Л.: Недра, 1989. - 487 с.

14. Айзаксон Э. Давление горных пород в шахтах — М.: 1961. 175 с.

15. Jeremic М. L. Coal mine, roadway stability in rebation to laberal tectonic stress — Western Canada // Mining Engineering. 1981. - vol. 33. № 6. - P.704-709.

16. Батугина И.М., Петухов И.М. Геодинамическое районирование месторождений при проектировании и эксплуатации рудников.- М. Недра, 1988. 166 с.

17. Петухов И.М. Некоторые решения проблемы горных ударов при разработке рудных месторождений // Прогноз и предотвращение горных ударов на рудных месторождениях. Апатиты, 1987. - С. 10-16.

18. Булычев Н.С., Амусин Б.З., Оловяный А.Г. Расчет крепи капитальных горных выработок-М.: Недра, 1974. 319 с.

19. Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород. М.: Недра, 1977. - 501 с.

20. Витке В. Механика скальных пород. М.: Недра, 1990. - 438 с.

21. Лавриненко В.Ф., Лысак В.И. Расчет устойчивой формы выработок дляглубоких горизонтов железорудных шахт // Разработка рудных месторождений: Респ. межведомств, научн.-техн.сб. Киев: Техника, 1981. - № 32. - С.13-18.

22. Боликов В.Е., Коротких JI.B., Лубенец И.П. Управление горным давлением при разработке удароопасных месторождений // Горный журнал. 1985. - №9. -С. 17-20.

23. Шахтное и подземное строительство: Учебник для вузов в 2 т./ Б.А. Картозия, Ю.Н. Малышев, Б.И. Федунец и др. М. Изд-во Академии горных наук,1999. -Т1-607 с.

24. Завьялов Р.Ю. Разработка математической модели и метода расчета анкерной крепи протяженных горных выработок. Автореферат дис. ./ докт.техн.наук.Тула,2000.-31 с.

25. Бронников Д.М., Замесов Н.Ф., Богданов Г.И. Разработка руд на больших глубинах. М.: Недра.-1982. 292 с.

26. Ивановский Э.С. Эффективные методы проведения горных выработок и разработка месторождений на больших глубинах и борьба с горными ударами (зарубежный опыт) -М.: Цветметинформация, 1975. 43 с.29. «Western Miner», 1974. V47. - № 1. - Р.14.

27. Широков А.П., Лидер В.А., Писляков Б.Г. Расчет анкерной крепи для различных условий применения. М.: Недра, 1976. - 208 с.

28. Уисимбаева С.З. Расчет напряжений на сопряжениях выработок методом граничных элементов. Автореферат дис. . .канд.техн.наук. Алма-Ата, 1996. 22 с.

29. Руппенейт К.В., Либерман Ю.М. Введение в механику горных пород.- М.: Госгортехиздат, I960.- 356 с.

30. Руппенейт К.В. Деформируемость массивов трещиноватых пород.-М.: Недра, 1975.-233 с.

31. Роза С.А. Механика грунтов.- М.: Знание, 1962. 434 с.

32. Островский А.Е. Деформация земной коры по наблюдениям наклонов. М.: Недра, 1978.- 184 с.

33. Шуплецов Ю.П. Оценка модуля деформации скального массива по результатам шахтных измерений// Физ.-техн. пробл. разраб. полез, ископ. 1990. - №1. - С.32.

34. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология Екатеринбург: УрО РАН, 2001.-335 с.

35. Борьба с горными ударами наТаштагольском руднике / Шрепп Б.В., Квочин В.А., Бояркин В.И. и др. // Прогноз и предотвращение горных ударов на рудных месторождениях. Апатиты: ГОИ Кол. ФАН СССР, 1987. - С.50-54.

36. Квочин В.А. Исследования механизма проявления горных ударов на Таштагольском руднике // Исследование напряжений в горных породах: Материалы совещания по механике горных пород. Новосибирск, 1985. - С. 17-26.

37. Кузнецов С.В. Общие закономерности и характерные особенности перераспределения напряжений в массивах горных пород при развитии выработанного пространства//Физ.-техн.пробл. разраб.полезн.ископ. № 6. 1988. - С.18-31.

38. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. Основные уравнения. Плоская теория упругости. Кручение и изгиб. М.'. Наука, 1966.-707 с.

39. Штофф В.А. Моделирование в философии. М. - JI. Наука, 1966.-301 с.

40. Александров А .Я. Решение основных трёхмерных задач теории упругости для гел произвольной формы путем численной реализации метода интегральных /равнений. Докл. АН СССР, 1973, № 2. - С.291-294.

41. Александров А .Я., Зиновьев В.М. О вычислении сингулярных интегралов при численном решении задач теории упругости методом граничных интегральных уравнений.-Докл. АН СССР, 1981, т.257. № 6. - С.1328-1332. •

42. Амусин Б.З., Фадеев А.Б. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики. -М.:Недра, 1975. 143 с.

43. Гахов Ф.Д. Краевые задачи. 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Наука, 1977. -640 с.

44. Ержанов Ж.С., Каримбаев Т.Д. Метод конечных элементов в задачах механики горных пород. Алма-Ата: Наука, 1975. - 238 с.

45. Михлин С.Г. Численная реализация вариационных методов. М.: Наука, 1966. -432 с.

46. Мусхелишвили Н.И. Сингулярные интегральные уравнения. Граничн.задачи теории функции и некот. прилож. к мат. физике 3-е изд., испр.и доп. М.: Наука, 1968.-511 с.

47. Напряжения и деформации в окрестности сопряжения горных выработок: Отчет о НИР/ИГД СО АН СССР. Рук. В.И. Машуков (Отчет по х.д. с ИГД МЧМ СССР) Инв. № 02840073484. Новосибирск, 1984.-69 с.

48. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи. М.'Стройиздат, 1983. - 273 с.

49. Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, объектах строительства подземных сооружений, склонных и опасных по горным ударам (РД06-329-99). Госгортехнадзор РФ НТЦ «Промышленная безопасность» - 2000. — 66 с.

50. Картозия Б.А., Борисов В.Н. Инженерные задачи механики подземных сооружений: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2001. - 246 с.

51. Зильберман А.И., Новикова J1.B., Уланова Н.П. Оценка устойчивости камер сложной конфигурации // Шахтное строительство, 1989. №12. - С. 12-14.

52. Боликов В.Е. Обеспечение геодинамической безопасности выработок и камер околоствольных дворов // X Межотраслевое координационное совегц. по пробл.

53. Геодинамической безопасности (Екатеринбург, 6-9 октября 1997 г.): Материалы. -Екатеринбург: УГГГА, 1977.- С.71-75.

54. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1982. - 271с.

55. Петухов И.М., Егоров П.В., Винокур Б.Ш. Предотвращение горных ударов на рудниках. М.: Недра, 1984. - 230 с.

56. Кравченко Г.И. Облегченные крепи вертикальных выработок. М.: Наука, 1969.-119 с.

57. Булычёв Н.С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1994. - 382 с.

58. Поль В.Г., Боликов В.Е. Особенности проектирования горных выработок в тектонически напряженном массиве / Горный журнал, 200, №7, с. 10-14.

59. Боликов В.Е., Поль В.Г. Влияние очистных работ на напряженное деформированное состояние подготовительных выработок при разработке наклоннопа-цающих рудных месторождений «Изв. вузов. Горный журнал, 2002.- №6.- С.52-56.

60. Боликов В.Е., Поль В.Г. Влияние вторичного поля напряжений на подготовительные выработки при разработке наклоннопадающих месторождений // Геоме-каника в горном деле: Доклады межд. конф. 19-21 ноября 2002 г. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2003.

61. Поль В.Г. Проблема обеспечения устойчивости подземных горных выработок на рудниках в удароопасных условиях // Геомеханика в горном деле: Доклады межд.кКонф. 19-21 ноября 2002. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2003.

62. Шуплецов Ю.П. Оценка модуля деформации скального массива по результатам шахтных измерений // Физ.-техн.пробл.разраб.полезн.ископ.- 1990.-№1.-С.32.

63. Зубков А.В. Разработка методов управления горным давлением на основе решения трехмерных задач: Автореф. дис. .д-ра техн. наук / ИГД УрО РАН. -Екатеринбург, 1991.-3 7с.