Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование способа управления искусственной кровлей при системе разработки горизонтальными слоями с нисходящей выемкой и закладкой

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

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование способа управления искусственной кровлей при системе разработки горизонтальными слоями с нисходящей выемкой и закладкой"

Безопасность и эффективность разработки наклонных залежей системой горизонтальных слоев с нисходящим порядком выемки и закладкой в первую очередь связана с устойчивостью искусственной кровли. Так, вктуре себестоимости добычи руды на Орловском руднике Жезкентского ГОКа доля затрат на управление горным давлением твердеющей закладкой и металлической крепью достигает 30%. Тем не менее, не в полной мере обеспечивается устойчивость искусственной кровли. На практике наблюдаются явления внезапного одновременного обрушения в очистные выработки закладки нескольких вышележащих слоев. Обрушения такого рода свидетельствуют о сложных процессах взаимодействия естественных и искусственных массивов. Для обеспечения безопасности горных работ необходимо установить характер таких процессов и разработать способ управления искусственной кровлей, обеспечивающий повышение ее устойчивости без дополнительных затрат на добычу руды. От успешного решения данных вопросов во многом зависят безопасность и эффективность дальнейшей эксплуатации месторождения.

Целью работы является обоснование способа управления искусственной кровлей, обеспечивающего повышение безопасности и эффективности разработки наклонных залежей системой горизонтальных слоев с нисходящей выемкой и закладкой без дополнительных затрат на добычу.

Основная идея работы заключается в повышении устойчивости искусственной кровли за счет рационального расположения очистных выработок в смежных по высоте слоях и снижении затрат на крепление за счет обоснования параметров крепи, соответствующих закономерностям смещений кровли очистных выработок.

Методы исследований. Анализ практического опыта разработки Орловского месторождения и литературных источников, проведение экспериментов в лабораторных и натурных условиях, численное моделирование геомеханических процессов и расчетно-аналитические методы.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Процесс обрушения искусственной кровли описывается жесткопластической моделью, отличающейся наличием в искусственном массиве раздавленной и находящейся в пластичном состоянии закладки верхних горизонтов, под давлением которой нижележащие жесткие слои закладки выдавливаются в очистные выработки отрабатываемого слоя;

2 . Повышение устойчивости искусственной кровли в 1,65 раза обеспечивается за счет снижения эквивалентного пролета обнажения путем перекрещивающегося расположения очистных выработок в смежных по высоте горизонтальных слоях;

3 . Рациональная плотность крепи очистных выработок, учитывающая неравномерность распределения смещений кровли в зависимости от удаления от центра выработанного пространства, изменяется по параболическому закону.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована: совокупностью натурных наблюдений и лабораторных исследований; сходимостью оценки состояния массива горных пород и искусственного массива численным моделированием и натурными исследованиями; положительными результатами опытно-промышленных работ.

Научная новизна работы:

1. Предложен новый способ оценки модуля деформации трещиноватого массива горных пород обратным расчетом по измеренным в процессе отработки слоя величинам оседаний рудной кровли очистных выработок.

2 . Установлены новые взаимосвязи между прочностными и упругими свойствами закладки, позволяющие оценить деформационные свойства искусственного массива в целом.

3 . Предложена новая модель процесса обрушения искусственной кровли, предусматривающая наличие пластичной закладки верхних слоев искусственного массива, под воздействием которой нижние жесткие слои выдавливаются в очистные выработки отрабатываемого слоя.

4 . Обосновано использование схемы перекрещивающегося расположения очистных выработок в смежных по высоте горизонтальных слоях для повышения устойчивости искусственной кровли.

5. Предложен новый метод определения плотности установки крепи, учитывающий неравномерность распределения нагрузок на крепь в зависимости от удаления от центра выработанного пространства.

Практическое значение работы состоит в обосновании целесообразности перекрещивающегося расположения очистных выработок в смежных по высоте слоях для повышения устойчивости искусственной кровли и в создании нового метода определения плотности установки крепи.

Реализация работы. Предложенная схема расположения очистных выработок в смежных по высоте слоях прошла стадию промышленных испытаний, внедрена в производство, и в настоящее время на Орловском руднике все очистные работы проектируются и ведутся с перекрещивающимся расположением выработок.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на конференциях: «Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых» (г. Москва, 1998 г.), «Неодинамика и напряженное состояние недр Земли» (г. Новосибирск, 1999 г.), Проблемы комплексного освоения рудных и нерудных месторождений Восточно-Казахстанского региона» (г. Усть-Каменогорск, 2001 г.), «Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых в начале XXI века» (г. Москва, 2001 г.) и научно-техническом совете Орловского рудника в 1998 - 2001 гг.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Терешин, Александр Александрович

Выводы по главе 3

1. Численным моделированием установлен характер взаимодействия массива горных пород и искусственного массива.

2 . Анализом результатов численного моделирования установлен механизм процесса обрушения искусственной кровли, суть которого заключается в следующем: менее жесткая и прочная, чем вмещающий массив, закладка выработанного пространства со сторон висячего и лежачего боков сдавливается вмещающими породами и переходит в пластичное состояние. Вследствие значительных различий жесткости естественного и искусственного массивов деформации пластичной закладки реализуются в направлении нижних жестких слоев, выдавливая их в очистные выработки отрабатываемого слоя, что приводит к обрушению искусственной кровли.

3 . Предложена новая жесткопластическая модель обрушения искусственной кровли, отличающаяся наличием в искусственном массиве раздавленной горным давлением и находящейся в пластичном состоянии закладки верхних горизонтов, под воздействием которой нижележащие жесткие слои закладки выдавливаются в очистные выработки отрабатываемого слоя.

4. Для оценки устойчивости искусственной кровли предлагается использовать критерий, при прочих равных условиях зависящий от величины эквивалентного пролета обнажения ■ искусственной кровли.

5. На основе предложенного критерия обоснована целесообразность перекрещивающегося расположения очистных выработок в смежных по высоте горизонтальных слоях для повышения устойчивости искусственной кровли. Показано, что при прочих равных условиях, перекрещивающееся расположение очистных выработок обеспечивает повышение устойчивости искусственной кровли в 1,65 раза за счет снижения эквивалентного пролета обнажения искусственной кровли.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА НАГРУЖЕННОСТИ КРЕПИ ОЧИСТНЫХ ВЫРАБОТОК.

4.1. Теоретические основы расчета крепей

В механике горных пород крепь рассматривается как элемент единой деформируемой системы «крепь -массив». Расчетная схема крепи представляет собой схему контактного взаимодействия крепи с деформируемым массивом.

При проходке горных выработок (включая и очистные выработки) в напряженном массиве деформации и смещения происходят уже в процессе обнажения пород до возведения крепи (рис. 43) . Эти смещения обозначаются как начальные и0. Затем после возведения крепи, дальнейшим смещениям массива начинает препятствовать реакция крепи, нарастающая по мере роста дальнейших смещений массива Uj . В процессе совместного деформирования массива и крепи устанавливается некоторое равновесное состояние (точка А на рис. 43), характеризуемое нагрузкой на крепь р и суммарными смещениями массива и.

Рис. 43 . Схема к расчету взаимодействия крепи с массивом

Чтобы определить нагрузку на крепь, ищется зависимость равновесных состояний упругопластической среды, ослабленной выработкой, которые обеспечиваются реакцией крепи р, от смещения и. На рис. 43 эта зависимость и(р), которую называют уравнением равновесных состояний массива, ослабленного выработкой, обозначена цифрой 1. С увеличением смещений давление крепи, необходимое для обеспечения равновесия, уменьшается, что связано с увеличением зоны пластических деформаций. Это объясняет известный факт снижения нагрузки на податливую крепь в упругопластичном массиве.

Нагрузка на крепь определяется из решения уравнения Белаенко Ф.А. [18]: и (р) = и0 + щ (р) , (30) где Ui(p) - характеристика жесткости крепи. На рис. 43 линиями 2 и 3 показаны характеристики двух типов крепи с различной жесткостью (жесткость крепи 2 выше, чем 3).

Для практических расчетов крепей по данной теории разработаны специальные методики [32,33], суть которых сводится' к следующему. Основную рамную податливую крепь незамкнутой формы в горных выработках выбирают по величинам смещений пород кровли и. Основное содержание методик сводится к определению смещений кровли и расчетом для различных горно-геологических условий (одиночные выработки, сближенные, в зоне влияния очистных работ, выработки, проходимые в присечку к выработанному пространству, на различной глубине, в массивах различной прочности и нарушенности).

Расчетную нагрузку Р на 1 пог.м выработки со стороны кровли и почвы определяют по формуле:

Р = Рн-кп-кпр-а, (3D где Рн - нормативная удельная нагрузка, определяемая в зависимости от смещений пород и ширины выработки по данным табл. 17; кп коэффициент перегрузки, равный 1,2 при смещениях кровли в пределах 50-^200 мм или 1,15 при смещениях 201^-500 мм; кпр — коэффициент, учитывающий способ проходки (для буровзрывного способа проходки равен 1]; а - ширина выработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В диссертации дано новое решение актуальной задачи управления искусственной кровлей, обеспечивающее повышение ее устойчивости за счет перекрещивающегося расположения очистных выработок в смежных по высоте слоях и снижение затрат на крепление за счет изменения плотности установки крепи по мере удаления от центра выработанного пространства, основанного на установленных закономерностях смещений кровли.

Основные научные и практические результаты работы:

1. Предложен новый способ оценки модуля деформации трещиноватого массива горных пород обратным расчетом по измеренным в процессе отработки слоя величинам смещений рудной кровли очистных выработок.

2 . Обработкой результатов натурных исследований установлены:

- эквивалентный модуль деформации трещиноватого массива горных пород Ем=(3,6+3, 7) -103 МПа и соотношение модуля деформации массива горных пород и модуля упругости пород в образцах Ем/Е0=1/20,

- эквивалентный модуль деформации неоднородного искусственного массива Еи=0,12-103 МПа и соотношение модулей деформации искусственного массива и массива горных пород Еи/Ем=1/30, что позволяет рассматривать выработанное пространство, заложенное твердеющей закладкой, как мягкое включение в более жесткую упругую среду.

3 . Предложена новая жесткопластическая модель обрушения искусственной кровли, отличающаяся наличием в искусственном массиве раздавленной горным давлением и находящейся в пластичном состоянии закладки верхних горизонтов, под воздействием которой нижележащие жесткие слои закладки выдавливаются в очистные выработки отрабатываемого слоя.

4 . Обоснована целесообразность перекрещивающегося расположения очистных выработок в смежных по высоте горизонтальных слоях для повышения устойчивости искусственной кровли. Показано, что при прочих равных условиях, перекрещивающееся расположение очистных выработок обеспечивает повышение устойчивости искусственной кровли в 1,65 раза за счет снижения эквивалентного пролета обнажения искусственной кровли.

5. Предложенная схема расположения очистных выработок в смежных по высоте слоях прошла стадию промышленных испытаний, внедрена в производство, и в настоящее время на Орловском руднике все очистные работы проектируются и ведутся с перекрещивающимся расположением выработок.

6. Установлено, что нагрузка на крепь в зависимости от удаления от центра выработанного пространства изменяется по параболическому закону.

7. Предложен новый расчета плотности установки крепи, основанный на установленной закономерности распределения нагрузок на крепь и отличающийся различной плотностью установки крепи по мере удаления от центра выработанного пространства.

8. За счет рациональной плотности установки крепи на Орловском руднике возможно снижение затрат на крепление очистных выработок на 22 0-^330 тыс. долларов США в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Терешин А. А. Поиск путей совершенствования слоевой системы разработки на основе анализа геомеханических процессов численными методами // Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых на рубеже XX-XXI вв. Тез. докл. конф. ФТРиР МГГА - Москва, 1998.

2. Исаев К.О., Макаров А.Б., Терешин А.А., Сосунов Ю.А. Геомеханические процессы при разработке Орловского месторождения слоевой системой с закладкой в нисходящем порядке // В кн.: Геодинамика и напряженное состояние земных недр. - Новосибирск, ИГД СО РАН, 19 99.

3. Исаев К.О., Макаров А.Б., Терешин А. А., Сосунов Ю.А. Управление горным давлением при разработке Орловского месторождения слоевой системой с закладкой // Маркшейдерский вестник, 1999, № 2, с. 23-33

4. Кунанбаев Н.С., Макаров А.Б., Терешин А.А., Сосунов Ю.А Параметры геомеханической модели массива Орловского месторождения // Маркшейдерский вестник, 2000, № 1, с.23-25

5. Кунанбаев Н.С., Макаров А.Б., Терешин А.А., Сосунов Ю.А. Геомеханические процессы при разработке Орловского месторождения // Горный журнал, 20 00, № 5, с.10-13

6. Терешин А.А. Условия возникновения удароопасных ситуаций на Орловском руднике / / Проблемы комплексного освоения рудных и нерудных

114 месторождений Восточно-Казахстанского региона. Тез. докл. межд. конф. - Усть-Каменогорск, 2001.

7. Барилюк А.И., Терешин А. А. Проявления горного давления при разработке Орловского месторождения в удароопасных условиях // Маркшейдерский вестник, 2001, № 1-2, с.4 9-53

8. Терешин А.А. Характер деформации искусственного массива при слоевых системах разработки с закладкой / / Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых в начале XXI века. Тез. докл. конф. ФТРиР МГГА - Москва, 2001.

9. Терешин А.А. Расчет параметров крепления очистных выработок с учетом неравномерности распределения нагрузок на крепь //Маркшейдерия и недропользование, 2002, № 1

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Терешин, Александр Александрович, Москва

1. Агошков М.И., Борисов С.С., Боярский В.А. Разработка рудных и нерудных месторождений. М.: Недра, 1983. 424 с.

2. Агошков М.И., Малахов Г.М. Подземная разработка рудных месторождений. М.: Недра, 1966. 663 с.

3. Айрапетян Л.П., Юхимов Я. И. Современные тенденции совершенствования подземной добычи руд за рубежом. М., ЦНИИЭИцветмет, 1989, 58 с.

4. Алборов З.Б., Гуриев В.В., Гамосов Б. И. Некоторые вопросы отработки Горевского месторождения. // Горный журнал. 1997. - № 1. - с. 42-44.

5. Алдамбергенов У.А., Осипова Т.А., Щербакова Т.Д. Геомеханические процессы при разработке крутопадающих месторождений с закладкой. Алма-Ата, Наука, 1990. 120 с.

6. Алдамбергенов У.А., Прокушев Г.А., Осипова Т. А. и др. Формирование параметров закладочного массива. Алма-Ата, Наука, 1984. 192 с.

7. Баженов Ю.М. Технология бетона. Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1978. 455 с.

8. Байконуров О. А., Крупник JI.A., Мельников В. А. Подземная разработка месторождений с закладкой. Алма-Ата, Наука, 1972. 384 с.

9. Балах Р. В. Разработка месторождений с закладкой хвостами обогащения. Алма-Ата, Наука, 1977. 231 с.

10. Барилюк А.И., Терешин А.А. Проявления горного давления при разработке Орловского месторождения в удароопасных условиях / / Маркшейдерский вестник, 2001, № 1-2, с.49-53

11. Беркович В.Х. Совершенствование технологии отработки удароопасного жильного месторождения. // Горный журнал. 1996. - № 7-8. - с. 58-61.

12. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов. М.: Недра, 1980. 360 с.7 .