Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование способов поддержания подземных выработок в метасоматически измененных породах медноколчеданных месторождений

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование способов поддержания подземных выработок в метасоматически измененных породах медноколчеданных месторождений"

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

На правах рукописи

САРАСКИН АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОДДЕРЖАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК В МЕТАСОМАТИЧЕСКИ ИЗМЕНЕННЫХ ПОРОДАХ МЕДНОКОЛЧЕДАННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность:

25. 00. 22 - Геотехнология (открытая, подземная и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2005

Работа выполнена в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Калмыков Вячеслав Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Зубков Альберт Васильевич кандидат технических наук Илимбетов Азамат Фаттахович

Ведущая организация: ОАО «Александрийская горнорудная

компания».

Защита диссертации состоится 19 мая 2005 г. в 1400 час. на заседании диссертационного совета Д. 212.111.02 при Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, малый актовый зал. Факс:(3519)23-57-60.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ.

Автореферат разослан 16 апреля 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Освоение месторождений полезных ископаемых подземной физико-технической геотехнологией сопряжено с сооружением в недрах комплекса горных выработок. Особенности литолого-петрографического и минерального состава, физико-механических свойств, структурной нарушенности, параметров естественного поля напряжений каждой группы месторождений требуют индивидуального подхода к процессам проведения и крепления подземных выработок.

Особенностью строения медноколчеданных месторождений Южного Урала (Учалинское, Узельгинское, Гайское, Сибайское, Октябрьское, Александрийское и др.) является залегание рудных тел в «оторочке» метасомати-ческн измененных пород. Метасоматиты, имеющие достаточно высокие прочностные характеристики в массиве (коэффициент крепости Г =8-^-16), при обнажении подземными выработками под действием шахтной атмосферы и подземных вод подвергаются быстрому выветриванию, набухают при насыщении водой и полностью теряют устойчивость.

Традиционные способы крепления подготовительно-нарезных выработок (набрызгбетон, штанговая, арочная податливая крепи) не обеспечивают устойчивость метасоматически измененных пород, что приводит к снижению безопасности горных работ и увеличению себестоимости руды, вследствие роста затрат на поддержание выработок.

Поэтому решение проблемы обеспечения устойчивости подземных выработок в метасоматически измененных породах медноколчеданных месторождений представляет собой весьма актуальную задачу.

Объект исследований: технология сооружения подземных выработок при освоении медноколчеданных месторождений Южного Урала.

Предмет исследований: способы крепления подготовительно-нарезных выработок в метасоматически измененных породах медноколчеданных месторождений Южного Урала.

Целью работы является обоснование способов поддержания подземных выработок в метасоматически измененных породах, обеспечивающих повышение устойчивости обнажений и безопасности горных работ.

Идея работы состоит в использовании установленных закономерностей изменения фазового состава, напряженного состояния и свойств метасомати-тов на контуре выработки для выбора эффективных способов крепления.

Основные задачи исследований:

- изучение физико-механических свойств, структурной нарушенности ме-тасоматически измененных пород медноколчеданных месторождений и влияния техногенного выветривания;

- установление закономерностей напряженно-деформированного состояния массива метасоматически измененных пород, вмещающего подземные выработки;

- исследование воздействия взрывных работ при проходке на устойчивость обнажений метасоматитов;

- обоснование способов упрочнения обнажений массива метасоматически измененных пород;

- разработка и опытно-промышленная апробация технических решений по креплению подземных выработок, их технико-экономическая оценка.

В работе использовались методы исследований, включающие: анализ опыта сооружения и поддержания подземных выработок в метасоматитах; математическое моделирование напряженно-деформированного состояния горного массива в упруго-пластической задаче; статистическая обработка результатов; аналитические расчеты и технико-экономический анализ результатов, промышленные эксперименты.

Положения, представленные к защите:

Устойчивость обнажений вмещающих пород на медноколчеданных месторождениях зависит от степени их метасоматоза, определяемой содержанием в метасоматитах вторичных минералов и присутствием сульфидов железа.

Корреляционная связь прочностных и деформационных свойств метасо-матитов с их плотностью позволяет оперативно получать информацию о механических параметрах горного массива и состоянии обнажений пород с различной степенью метасоматоза.

Безопасные условия эксплуатации выработок в метасоматитах обеспечиваются применением традиционных методов крепления в сочетании с мероприятиями по изоляции пород от шахтной атмосферы и кислотных вод.

Научная новизна работы состоит в установлении:

- зависимостей предела прочности на сжатие, модуля деформаций и сцепления метасоматитов от их плотности, позволяющих осуществлять оперативный прогноз механических свойств измененных пород;

- математических зависимостей размеров зон неупругих деформаций в кровле и боках выработки от глубины ее заложения, тектонических сил, механических свойств метасоматитов;

- закономерностей изменения механических свойств метасоматитов в процессе техногенного выветривания и перехода метасоматитов в другое фазовое состояние, используемых для оценки устойчивости контура выработок;

- механизма упрочнения весьма измененных метасоматитов смолой КФ-Ж с водным раствором щавелевой кислоты, заключающегося в образовании прочных химических связей между оксониевым комплексом карбамидной смолы и обменными катионами метасоматитов.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается представительностью и надежностью исходных данных; опытно-промышленной проверкой разработанных научно-технических решений; сопоставимостью результатов математического моделирования, аналитических расчетов и данных практики.

Практическая значимость работы состоит в разработке способов упрочнения метасоматически измененных пород на основе применения модифицированного набрызгбетона, самозаклинивающейся анкерной крепи и инъекти-рования смолой КФ-Ж с водным раствором щавелевой кислоты при проведении подготовительно-нарезных выработок на Учалинском и Узельгинском подземных рудниках Учалинского ГОКа.

Реализация рекомендаций: результаты исследований внедрены на подземных рудниках Учалинского ГОКа при проведении и поддержании подготовительно-нарезных выработок в метасоматически измененных породах.

Апробация работы: Результаты, основные положения и выводы докладывались на международных симпозиумах «Неделя горняка», Москва, 1999, 2000, 2002, 2003, 2005 гг.; международных научно-технических конференциях: «Комбинированная геотехнология: проектирование и геомеханические основы», Магнитогорск, 2001, 2003 гг.; «Нетрадиционные технологии и оборудование для разработки сложно-структурных МПИ», Екатеринбург, 2005; ежегодных научно-технических конференциях МГТУ и технических совещаниях Учалинского ГОКа.

Публикации: Основные положения диссертации опубликованы в 9 работах.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 89 наименований и содержит 164 стр. машинописного текста, 57 рисунков, 33 таблицы.

Работа выполнена в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова на кафедре "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых". Исследования, представленные в диссертации, выполнялись в рамках хоздоговорных НИР.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Формирование колчеданных месторождений Южного Урала связано с процессами динамотермального метаморфизма, рудные тела образовывались в результате преобладающего специфического гидротермально-осадочного отложения сульфидов в сочетании с метасоматическим рудоотложением. Процессы метасоматоза существенно сказываются на механических свойствах пород и обусловливают их склонность к выветриванию.

Применяемая на рудниках Учалинского ГОКа железобетонная штанговая, набрызгбетонная и комбинированная крепи не обеспечивают надежного и долговременного поддержания выработок, пройденных по метасоматитам. Вывалы, как в кровле, так и в боках выработок, вследствие постепенного набухания и отслоения метасоматитов, зачастую, происходят вместе с анкерами, что указывает на несоответствие параметров крепи размерам зон разупрочнения.

Изучению свойств метасоматически измененных пород и изысканию способов их упрочнения посвящены работы Емельяненко Е.А., Замосковце-вой Г.Д., Кузькина В.И., Кузьмина Е.В., Маннанова Р.Ш., Рыльниковой М.В. и др. В них показано, что отличия геологического, химического, структурного строений метасоматитов определяют большой разброс механических свойств и обусловливают необходимость дифференцированного подхода к управлению свойствами пород с различной степенью метасоматоза. Апробация предложенных решений показала, что применяемая конструкция анкерной ж/б крепи не обеспечивает требуемой несущей способности, использование импортных дорогостоящих гидроизоляционных полимерных добавок в составе на-брызгбетона существенно увеличивает себестоимость крепления, не в полной мере исследованы инъекционные способы упрочнения пород, не оценено влияние буровзрывных работ на состояние метасоматитов.

Известно, что устойчивость обнажений подземных выработок в основном определяют следующие факторы: физико-механические свойства вмещающих пород и структурная нарушенность массива; статические нагрузки, обусловленные действием гравитационных и тектонических сил; динамические нагрузки на стадии буровзрывных работ. Особенностью метасоматитов является влияние на устойчивость их обнажений также физико-химических процессов, развитие которых инициируется техногенным воздействием на массив при освоении георесурсов.

Обнажение метасоматитов инициирует процесс водопоглощения по многочисленным капиллярным трещинам, сопровождающийся гидратацией водных алюмосиликатов - хлорита, серицита, серпентина, эпидота, монтмориллонита, иллита. Процессы гидратации приводят к увеличению в объеме мета-соматически измененных пород и снижению с течением времени их прочностных характеристик. Проведенными нами наблюдениями за состоянием обнажений метасоматически измененных пород в буровом орте 13/2 гор. 380 м Учалинского рудника установлено, что в течение первого месяца стояния обнажений толщина слоя техногенного выветривания достигает в среднем 25 мм (рис. 1).

300

32 43 48 80

Время стояния сб нажатого массива, оуг

Рис. 1. Динамика процесса разупрочнения приконтурного массива

По прошествии следующих полутора месяцев глубина разрушений в кровле и боках выработки увеличивается в 10 раз (250 мм). На участках сильноизме-ненных пород и при наличии протяженных трещин процесс разупрочнения развивается на глубинах, существенно превышающих эти величины, что является причиной вывалообразований больших размеров.

В ходе проведенных исследований физико-механических характеристик пород было установлено, что метасоматиты Учалинского и Узельгинского месторождений отличаются широким диапазоном плотности изменение плотности определяется их залеганием относительно руд и обусловлено содержанием в метасоматитах сульфидов Дальнейшие исследования показали, что содержание сульфидов, в большей мере - сульфидов железа (пирит, пирротин), определяет не только плотность метасоматитов у, но и их прочностные и деформационные характеристики Зависимости предела прочности на сжатие [асж] (рис. 2), модуля деформации Едеф, сцепления С, угла внутреннего трения ср и коэффициента Пуассона ц от значений плотности удовлетворительно аппроксимируются степенным трендом при коэффициентах детерминированности R = 0,70-0,85.

Рис. 2. Аппроксимация зависимости Г([стсж]) = у для метасоматически измененных пород месторождений Учалинского ГОКа

Содержание в метасоматитах сульфидов железа определяет степень разупрочнения пород вследствие их техногенного выветривания за счет окисления пирита при свободном взаимодействии с водой и кислородом. Образовавшийся сульфат железа при наличии свободного кислорода оказывается неустойчивым и разлагается на свободную серную кислоту и гидрооксид железа.

Продукты окисления пирита - НгЗС^ и Рег^О^з оказывают сильнейшее растворяющее действие на большинство минералов и приводят к разупрочнению горных пород.

л Ю2

2

25

] 35

Плотность пород, т/м

На основе результатов исследований физических, механических и химических свойств метасоматически измененных пород медноколчеданных месторождений Учалинского ГОКа предложена их классификация по степени метасоматоза и категориям устойчивости (табл. 1). Установленная взаимосвязь прочностных свойств метасоматитов и их плотности позволяет осуществлять оперативный прогноз устойчивости обнажений на участках соответствующих пород.

Таблица 1

Классификация метасоматитов по устойчивости

№ группы Категория устойчивости пород Степень метасоматоза Содержание вторичных минералов, % Содержание сульфидов железа, % Плотность у, т/м3 Предел прочности на сжатие, МПа

I Средней устойчивости Слабо измененные < 10 5-10 2,7-3,1 25-90

II Неустойчивые Измененные 10-30 10-20 3,1-3,6 15-50

III Весьма неустойчивые Сильноиз-мененные >30 >20 3,6-4,0 10-20

Исследования НДС массива горных пород, вмещающего подземные выработки, проводили Глушко В.Т., Виноградов В.В., Либерман Ю.М., Руппе-нейт К.В., Сажин B.C., Сдобников П.В., Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г., Фи-сенко Г.Л. и др. Среди основных результатов данных исследований следует выделить: положение о существовании приконтурной зоны неупругих деформаций; развитие теории упруго-пластических деформаций; создание аналитических методов расчета параметров зоны неупругих деформаций путем решения упруго-пластической задачи. Однако, существующие аналитические методы определения размеров зон неупругих деформаций позволяют осуществлять расчеты в условиях выработок кругового и эллипсовидного сечений в гравитационном поле напряжений.

Медноколчеданные месторождения Учалинской группы отличает наличие горизонтальных составляющих поля напряжений величиной от 4 до 18 МПа и значительный диапазон глубин, на которых ведутся горные работы -м, поэтому оценка НДС массива, вмещающего подземные выработки, осуществлялась математическим моделированием упруго-пластической среды с использованием метода секущей жесткости в программном комплексе FEM (ИГД УрО РАН).

Моделировалось НДС одиночной выработки арочной формы сечения шириной 4 м, высотой 4 м в следующих условиях: глубина заложения выработки тектоническая составляющая напряжений четыре группы свойств метасоматитов, соответствующих наиболее представительным значениям их плотности:

1) 7=2,7 т/м3([асж]= 30 МПа, Еиф= 2,5x104 МПа, С= 3 МПа, (.1=0,27);

2) 7=3,1 т/м3([асж]= 20 МПа, Емф= 1,2х104 МПа, С= 2 МПа, д=0,2);

3) 7=3,6 т/м3([асж]= 10 МПа, Едеф= 0,5x104 МПа, С= 1 МПа, ц=0,15);

4) 7=4,0 т/м3([асж]=5 МПа, Едеф=0,25х104 МПа, С= 0,5 МПа, ц=0,10)

Анализ зависимостей глубины зон неупругих деформаций (ЗНД) от глубины заложения выработки и тектонических сил, построенных по результатам моделирования, показал, что наибольшие глубины ЗНД (до 2 - 2,5 м) отмечаются в слабых метасоматитах с плотностью более 3,6 т/м3.

- в боках выработки (Ь6ЗНД) - при глубине заложения более 500 м и отсутствии или небольших (до 5 МПа) значениях тектонической составляющей поля напряжений, действующей в плоскости поперечного сечения выработки (рис. За);

- в кровле (Ькзнд) - при глубине заложения выработки Н > 500 м и тектонических напряжениях Т > 10 МПа (см. рис. 36).

а) б)

Рис. 3. Изолинии главных напряжений с^ с контурами зон неупругих деформаций при заложении выработки на глубине 500 м и тектонических напряжениях 5 МПа (а) и 20 МПа (б)

Компоненты установленных функций глубин зон неупругого деформирования Ьбзнд, {1КЗНД = Г (Н, Т, у) были подвергнуты множественному регрессионному анализу с использованием программного комплекса В результате получены следующие многопараметрические уравнения:

И6ЗНД = 0,27 7 + 0,045Т + 0,0014Н - 1,2, (4)

при коэффиттиенте когтеляттии Я = 0.93:

Ь\нд = 0,31 7 + 0,04Т + 0,0005Н - 0,6, (5)

при коэффициенте корреляции Я = 0,90.

Решением данных уравнений для условий подземных рудников Учалин-ского ГОКа получены следующие параметры ЗНД для выработок, пройденных по весьма измененным метасоматитам (у = 4,0 т/м3) на нижних горизонтах горных работ:

- Учалинский рудник (гор. 540 м, Т = 7 МПа): 116ЗН11 = 0,95 м; Ькзнл = 1,2 м;

- Узельгинский рудник (гор. 640 м, Т = 18 МПа): И знд = 1,6 м; Ькзнд = 1,7 м.

Полученные значения глубин ЗНД имеют удовлетворительную сходимость с параметрами вывалообразований, зафиксированными в выработках рудников УГОКа.

Оценку воздействия взрывов на состояние приконтурного массива пород осуществляли расчетом разрушающих скоростей сжатия и растяжения для четырех вышеуказанных групп метасоматитов. В качестве объекта исследований рассматривалась применяемая технология проведения выработок, характеризующаяся следующими параметрами: длина отбойных шпуров Н07б=3 м, длина заряда в шпуре 1,-2,6 м, расстояние между соседними шпурами а=0,6 м; масса заряда в оконтуривающих шпурах <3|=2,6 кг.

Результаты расчетов показали, что при взрывах массой 2,6 кг размеры зон законтурных нарушений в мал отмененных метасоматитах составляют 0,12 м вдоль оси заряда, 0,4 м - против центра заряда и до 2 м в призабойной зоне. В весьма измененных метасоматитах вдоль оси заряда в массив и против центра заряда размеры зон трещинообразования увеличиваются незначительно (на 20-25 %), но в призабойной зоне область влияния взрыва резко увеличивается в 2,5 раза, что свидетельствует о важности крепления призабойной зоны с наименьшим отставанием крепи.

Уменьшение массы шпурового заряда в 2 раза практически не сказывается на размерах зон законтурных нарушений во всех категориях метасомати-тов против торца и центра шпурового заряда и приводит к незначительному (в среднем на 25 %) снижению ширины зоны трещинообразования в приза-бойной зоне. Размеры зон наведенной взрывом трещиноватости в направлении перпендикулярном к простиранию выработки во всех рассмотренных случаях не превышают 0,5 м. Таким образом, применение контурного взрывания в метасоматитах не обеспечивает значимого снижения влияния взрыва на окружающие породы и основными факторами образования ЗНД вокруг выработок, пройденных по метасоматитам, следует считать неустойчивость к процессам выветривания и действующее горное давление.

По результатам анализа способов безвзрывной проходки для проведения восстающих выработок в метасоматитах был рекомендован к применению на рудниках Учалинского ГОКа отечественный буровой комбайн 2^. Внедрение комбайна 2^ на Учалинском руднике позволило повысить в 1,5 раза скорость проведения восстающих и обеспечить гладкие контуры выработок.

Сложность решения проблемы гидрозащиты бетоном поверхности, на которую он наносится в шахтных условиях, связана с его высокой степенью сорбции влаги из воздуха за счет капиллярной конденсации. В последние годы на рынке для ликвидации в строительных конструкциях пор и трещин, прекращения доступа воды в бетон предлагается ряд гидроизоляционных составов отечественного и зарубежного производства. В ходе анализа потребительских качеств таких продуктов, в первую очередь - стоимости и срока твердения, выявлены модификаторы отечественного производства марки «Акватрон» (ОАО "Полиэкс").

Результаты лабораторных испытаний образцов бетона с добавлением в его состав различных модификаторов «Акватрон» в количестве % от

массы цемента показали, что наилучшими характеристиками (пределы прочности на сжатие и растяжение, адгезия, срок твердения) обладает бетон с 3,0 % добавкой «Акватрон-6».

На Учалинском (межпанельный орт гор. 380 м) и Узельгинском (транспортный орт гор. 630 м) подземных рудниках были проведены опытно-промышленные испытания по креплению выработок модифицированной на-брызгбетонной крепью с добавкой «Акватрон-6» в количестве 3,0 % от массы цемента. По истечении 28 суток в данных выработках были отобраны образцы набрызгбетона и проведены их испытания (табл. 2).

Таблица 2

Результаты опытно-промышленных испытаний образцов набрызгбетонной крепи

Параметры Учалинский ПР Узельгинский ПР

Модифицированная крепь Существующая крепь Модифицированная крепь Существующая крепь

Адгезия, МПа 4,5+7,0 0,9+1,3 15+17 1,3+1,7

Предел прочности на сжатие, МПа 13+15 5,0+8,0 18,0+22,0 9,0+10

Предел прочности на растяжение, МПа 3,0+7,0 0,6+0,9 5,0+9,0 1,1+1,3

Результаты опытно-промышленных испытаний модифицированного на-брызгбетона с 3% полимерной добавкой «Акватрон-6» показали, что помимо приобретения им гидроизолирующих свойств, отмечается увеличение прочности образцов крепи на сжатие, растяжение и чистый сдвиг в раз, что позволяет уменьшить толщину набрызгбетонной крепи с 4-6 до 1-2 см.

Так как в условиях метасоматически измененных пород, обладающих повышенной степенью трещиноватости и низкими прочностными свойствами, понижающимися с течением времени, работа железобетонных анкеров по схеме «сшивание» оказалась неэффективной. На основе конструктивных решений, предложенных Алипбергеновым М.К., Есенбаевым СЕ. и Аманжоло-вым Э.А. для условий рудников Жезказгана, были разработаны анкеры с самозаклинивающимся устройством, обеспечивающие их работу по схеме «подвешивание».

Анкер из металлического арматурного стержня периодического профиля класса А-11, диаметром 16-18 мм закрепляется в шпуре при помощи самозаклинивающегося устройства, выполненного в виде эксцентрика с пружиной из стальной проволоки (рис. 4). Посредством пружины эксцентрик упруго связан с анкером, при этом стороны эксцентрика образуют угол разворота 8090°. Пружина регулирует угол наклона эксцентрика и создает усилие для постоянного контакта со стенками шпура и заклинивания эксцентрика.

Рис. 4. Варианты распорного механизма самозаклинивающихся анкеров

При работе анкеров по схеме «подвешивание» расстояние между анкерами в ряду ар (м) для выработок сводчатой формы будет определяться по формуле:

где у - плотность закрепляемых пород, т/м3; 1„ - мощность «подвешиваемых» пород кровли, м; 0 - допускаемая нагрузка на анкер, т; К - коэффициент пригрузки от горного давления.

В качестве мощности «подвешиваемых» пород принимаются глубины зоны неупругих деформаций ЬзИд. определяемые по зависимостям (4, 5). Допускаемые нагрузки на анкер были определены в результате опытно-промышленных испытаний самозаклинивающихся анкеров в выработках гор. 380 м Учалинско-го рудника. Результаты испытаний показали, что самозаклинивающиеся анкеры непосредственно после их установки в шпуры способны нести нагрузку q = 2,3-2,4 т. При установке анкеров с бетонным заполнителем (ЖБШ) по истечении семи суток их несущая способность достигает д = 7,2 т.

Используя значения показателей Ь,„д и ц в качестве соответственно 1П и С} определено расстояние между анкерами в ряду ар (6) для условий рудников УГОКа (табл. 3).

Таблица 3

Расчетные расстояния между анкерами для крепления выработок на рудниках УГОКа

Группа метасоматитов (категория устойчивости)** Расчетные расстояния меж, подземных ну анкерами ар для условий рудников, м

Учалинского (гор. 540 м, с| = 2,3т, Ь,„л (4,5))* Узельгинского (гор. 640 м, д = 2,3т, Ьзнп (4,5))*

1 (1Уа) 1,1 0,8

2 (1Уб) 0,9 0,7

3(Уа) 0,8 0,6

4 (Уб,в) 0,7 0,6

* - расчет производился по наибольшей глубине ЗНД в кровле (боках) выработки; ** - метасоматиты групп 1(у=2,7 т/м3)+4('у=4,0 т/м3) соответствуют 1Уа^Уб,в категориям, согласно Единой геомеханической классификации пород месторождений ОАО "УГОК".

В первую очередь самозаклинивающиеся анкеры могут использоваться в качестве временной крепи, способной противостоять статическим (под действием силы тяжести отслаивающихся пород) и динамическим (от действия взрыва) нагрузкам непосредственно у проходческого забоя. При установке анкера с предварительным нагнетанием в шпур модифицированной бетонной смеси самозаклинивающиеся анкеры можно применять в качестве постоянной крепи с несущей способностью 2,3-2,4 т и постепенным ее ростом по мере твердения бетона.

Для повышения производительности труда на креплении и снижения трудоемкости работ с участием автора были разработаны машины для механизации операций крепления: машина для оборки и штангования на базе погрузчика LK-1; установка для торкретирования подземных выработок на базе автопоезда МоАЗ-7405-9586.

Создание и внедрение на Учалинском руднике самоходных машин для штангования и нанесения набрызгбетона позволило повысить производительность труда на 33% и сократить расход цемента на 10 %.

Применение в комплексе самозаклинивающихся штанг и модифицированного набрызгбетона с помощью разработанных машин позволяет сократить до минимума время стояния незакрепленного контура выработок, снизить влияние выветривания пород. Однако, на обводненных участках мета-соматитов применение данных крепей может оказаться неэффективным, ввиду постепенного разупрочнения метасоматитов на весьма значительную глубину. В данных случаях целесообразно омоноличивать приконтурный массив, что достигается путем инъекции упрочняющих растворов в массив.

При выборе клеевого раствора для укрепления метасоматически весьма измененных пород рассматривалась возможность применения таких полимерных материалов, как полиуретановая, эпоксидная, карбамидная смолы, традиционно используемые в отечественной практике при укреплении слабых пород. Результаты проведенных лабораторных исследований показали, что наиболее приемлемой в качестве укрепляющего состава для метасоматически измененных пород медноколчеданных месторождений является карбамидная смола марки КФ-Ж с кислотным отвердителем типа щавелевой кислоты и добавлением раствора карбамида.

Нами установлено, что действие карбамид-формальдегидной смолы с щавелевой кислотой основано на образовании прочных химических связей между оксониевым комплексом карбамидной смолы и обменными катионами метасоматически измененных пород. Щавелевая кислота в водном растворе диссоциирует на ионы в две ступени. В результате диссоциации щавелевой кислоты образуются ионы водорода, вступающие в донорно-акцепторную связь с атомами кислорода полимера карбамидной смолы, формируя прото-нированные комплексы, которые прочно закрепляются на поверхности породы с отрицательно заряженными частицами. Закрепившийся на поверхности протонированный комплекс взаимодействует с катионами металлов вме-

щающей породы (рис. 5). В результате образуются устойчивые и малорастворимые полимерные соли - оксалаты карбамид-формальдегидной смолы.

Рис. 5. Замещение протонов в карбамидном комплексе на катионы металла

В результате лабораторных экспериментов была установлена концентрация отвердителя 5 %. Прочность образцов метасоматитов, укрепленных раствором КФ-Ж, составила в зависимости от степени их кислотности 2,4 - 3,5 МПа за время гелеобразования 25-35 мин.

Для установления взаимосвязи между радиусом и временем инъекции на Узельгинском подземном руднике были проведены опытные работы по инъ-ектированию серицит-хлоритовых метасоматитов.

Анализ результатов эксперимента позволил получить зависимость величины радиуса инъекции полимерной композиции от времени подачи её в ме-тасоматиты под давлением 6-7 МПа:

Глубина шпуров для смолоинъекции определяется глубиной зоны неупругих деформаций Ьзнд (4, 5). Задаваясь расстоянием между шпурами, определяемым радиусом смолоинъекции Я, устанавливается время инъектирования X для полного насыщения смолой межшпуровых участков приконтурного массива выработки.

Прочный, пластичный каркас затвердевшей смолы может принимать на себя статические и динамические нагрузки, и служит гидроизоляционным экраном, который предотвращает гидролиз и дальнейшее химическое выветривание метасоматически измененных горных пород.

Таким образом, для метасоматитов медноколчеданных месторождений Учалинской группы рекомендуются способы и параметры крепления, представленные в табл. 4.

Сопоставительный анализ себестоимости крепления применяемых и рекомендуемых способов крепления на рудниках Учалинского ГОКа показал (рис. 6), что для Учалинского рудника себестоимость рекомендуемых способов крепления пород всех категорий устойчивости ниже существующей. В условиях Узельгинского рудника крепление пород категорий ГУа и 1Уб требует увеличения затрат на 40- 45 руб./м2 (см. рис. 6), для остальных категорий пород отмечается снижение себестоимости.

Таблица 4

Рекомендуемые способы и параметры крепления метасоматитов

Характеристика пород Класс пород Вид крепи Параметры крепи для условий рудников

Учалинского Узельгинского

I 2 3 4 5

Слабой устойчивости 1Уа Железобетонные самозаклинивающиеся штанги по кровле и бокам. Сетка металлическая по кровле и бокам. Набрызгбетон по кровле и бокам. Сетка штангования 1,1x1,1 м. Глубина штангования /ш = 1,5 м. Сетка металлическая с ячейкой 0,1x0,1 м. Набрызгбетон слоем 1 - 2 см. Сетка штангования 0,8x0,8 м. Глубина штангования /ш = 2,2 м. Сетка металлическая с ячейкой 0,1x0,1 м. Набрызгбетон слоем 1 - 2 см.

1Уб Сетка штангования 0,9x0,9 м. /ш = 1,5 м. Сетка металл. Набрызгбетон слоем I - 2 см. Сетка штангования 0,7x0,7 м. /ш = 2,2 м. Сетка металл. Набрызгбетон слоем 1 - 2 см.

Неустойчивые Уа Сетка штангования 0,8x0,8 м./ш = 1,5 м. Сетка металл. Набрызгбетон слоем 1 - 2 см. Сетка штангования 0,6x0,6 м. /ш = 2,2 м. Сетка металл. Набрызгбетон слоем 1 - 2 см.

Уб, Ув Сетка штангования 0,7x0,7 м. /ш= 1,5 м. Сетка металл. Набрызгбетон слоем 1 - 2 см. Сетка штангования 0,6x0,6 м. /ш = 2,2 м. Сетка металл. Набрызгбетон слоем 1 - 2 см.

VI Инъекция смолой КФ-Ж с 10% водным раствором щавелевой кислоты Глубина шпуров 1,5 м, расстояние между шпурами 1 м. Глубина шпуров 2 м, расстояние между шпурами 1 м.

В среднем по категориям устойчивости пород на 1 м2 подземных выработок экономия от внедрения разработанных способов крепления составит для условий: Учалинского рудника - 127,5 руб.; Узельгинского - 55,5 руб. Принимая по минимуму ежегодный объем выработок, проходимых на рудниках УГОКа по метасоматитам, 20% от общего объема - 200 м («2000 м2), экономия на себестоимости крепления составит (по разнице в себестоимости для Узельгинского рудника) 111 тыс. руб./год.

Как показывает практика рудников УГОКа, выработки, пройденные по метасоматитам с применением принятых на рудниках способов крепления, нуждаются в ежегодном ремонте, стоимость которого зачастую превышает стоимость работ по креплению. Принимая стоимость ремонтных работ равной средней себестоимости принятых на рудниках способов крепления - 614 руб./м2, экономия от сокращения объема ремонта крепления 200 м выработок по метасоматитам составит - 1,2 млн. руб.

Экономический эффект от внедрения разработанных машин для оборки и установки ЖБШ, нанесения набрызгбетона определяется снижением трудоемкости работ по креплению и экономией цемента, и составляет 103,351 тыс. руб/год.

Применяемые Рекомендуемые Рекомендуемые способы на способы способы

рудниках (У^алинскнй (Узельшнский рудник) рудник)

Рис. 6. Себестоимость применяемых и рекомендуемых способов крепления по категориям устойчивости пород

Таким образом, внедрение разработанных способов крепления за счет их меньшей себестоимости и отсутствия необходимости в ремонте; совершенствование механизации работ по креплению в целом обеспечит экономический эффект для предприятия ОАО "УГОК" не менее 1,4 млн руб /год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научно-технической задачи по поддержанию подземных выработок в метасоматиче-ски измененных породах медноколчеданных месторождений путем обоснования способов и параметров крепления на основе комплексных исследований физических, механических и химических свойств метасоматитов, напряженно-деформированного состояния приконтурного массива и влияния взрывных работ на устойчивость обнажений. Основные результаты проведенных исследований сводятся к следующему:

1. Установлено, что при обнажении подземными выработками метасома-тически измененных пород происходит их разупрочнение вследствие интенсивного водонасыщения по капиллярным трещинам и развития процесса гидратации водных алюмосиликатов. Через 2-3 месяца с момента обнажения метасоматитов зона разупрочнения приконтурного массива достигает глубины 250 мм и развивается далее, что вызывает дополнительные нагрузки на крепь и приводит к потере ее несущей способности.

2. Выявлены закономерности между содержанием сульфидов в метасома-титах, их плотностью и основными характеристиками: пределом прочности,

модулем деформаций, сцеплением, углом внутреннего трения и коэффициентом Пуассона, что позволяет оперативно прогнозировать свойства метасома-титов на различных участках массива.

3. Определены зависимости глубин зон неупругих деформаций от тектонической составляющей поля напряжений, глубины заложения выработки и прочностных свойств метасоматитов. Получены многопараметрические уравненпя для определения глубин зон неупругих деформаций в кровле и боках выработок, пройденных в метасоматитах плотностью у = 2,6+4,0 т/м3 на глубинах Н = 200+800 м при тектонических напряжениях Т =)-М0П а .

4. Установлено, что наибольшее влияние взрывные работы оказывают на устойчивость пород призабойной зоны. Степень влияния взрыва возрастает по мере снижения прочностных свойств метасоматитов. Двукратное снижение массы заряда в оконтуривающих шпурах приводит к уменьшению размеров зоны влияния взрыва лишь на 20 %.

5. Опытно-промышленными испытаниями установлено, что применение самозаклинивающихся анкеров обеспечивает восприятие ими нагрузки, равной 2,3-2,4 т, непосредственно с момента установки. При установке анкера с бетонным заполнителем по истечении семи суток его несущая способность достигает 7,2 т.

6. Определен состав для смолоинъекции, обеспечивающий тампонаж и упрочнение весьма слабых и обводненных метасоматически измененных пород: карбонатная смола КФ-Ж в комплексе с отвердителем 5% раствором щавелевой кислоты и 10% раствором карбамида.

7. Применение строительной полимерной добавки "Акватрон-6" (3% от массы цемента) в составе раствора для возведения ЖБШ и набрызгбетона предотвращает процесс разупрочнения метасоматитов за счет их газо- и гидроизоляции. Прочностные характеристики модифицированного бетона в 2-6 и 1,3—2 раза выше характеристик соответственно бетона традиционного состава и модифицированного более дорогими импортными добавками.

8. Для пород с различной степенью метасоматоза определены способы крепления подземных выработок, обеспечивающие долговременную устойчивость обнажений: самозаклинивающиеся ЖБШ в комплексе с металлической сеткой и модифицированным бетонным раствором для набрызгбетона и возведения ЖБШ; смолоинъекция массива.

9. Обоснованы параметры рекомендуемых способов крепления метасома-тически измененных пород Учалинского и Узельгинского месторождений в зависимости от категорий их устойчивости: глубина штангования 0,9+2,2 м; сетка штангования от 0,6x0,6 м до 1,1x1,1 м; отставание анкерной крепи от забоя принимать равным шагу крепления; отставание набрызгбетонной крепи толщиной 1-2 см не более 5 м; сетка металлическая с размером ячейки 0,1x0,1 м; глубина смолоинъекции 0,7+1,7 м; сетка шпуров для смолоинъекции 1,0x1,0 м.

10. Создание и внедрение на Учалинском руднике самоходных машин для штангования и нанесения набрызгбетона позволило повысить производительность труда на 33% и сократить расход цемента на 10 %. Применение комбайна 2KB обеспечило, наряду с повышением устойчивости обнажений метасоматитов, увеличение скорости проходки восстающих в 1,5 раза.

11. Технико-экономический анализ рекомендаций показал, что внедрение новых способов и параметров крепления за счет их меньшей себестоимости и сокращения затрат на ремонт; разработанного самоходного оборудования для механизации работ по креплению обеспечит в целом экономический эффект для ОАО "УГОК" не менее 1,4 млн. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Маннанов Р.Ш., Сараскин А.В. Изменение свойств пород путем химического упрочнения //Вопросы прикладной химии. Сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ,

1999.-С. 52-57.

2. Инъекционное крепление метасоматитов химическими растворами, полученными на основе отходов коксохимического и химического производства /Т.Д. Замос-ковцева, А.В. Сараскин, Р.Ш. Маннанов и др. //Горный информационно -аналитический бюллетень.- М.: МГГУ, 1999. -№4.- С. 213-216.

3. Сараскин А.В., Замосковцева Г.Д., Маннанов Р.Ш. Применение инъекционных способов для упрочнения неустойчивых пород //Освоение мощных рудных месторождений: меж-вуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 1999.- С. 62-64.

4. Обоснование методов управления свойствами метасоматически измененных пород медноколчеданных месторождений /М.В. Рыльникова, Е.А. Емельяненко, А.В. Сараскин и др. //Горный информационно-аналитический бюллетень.- М.: МГГУ,

2000.-№11.-С. 124-127.

5. Укрепление массива и подземных выработок в прикарьерной зоне /А.В. Сара-скин, В.Н. Калмыков, М.В. Рыльникова и др. //Комбинированная геотехнология: проектирование и геомеханические основы. Тезисы докладов международной конф.-Магнитогорск: МГТУ, 2001. - С. 38-39.

6. Сараскин А.В., Гордеев А.И. Результаты оценки инструментальными методами геомеханического состояния массива Учалинского месторождения при освоении запасов комбинированной геотехнологией //Комбинированная геотехнология: проектирование и геомеханические основы. Тезисы докладов международной конф.- Магнитогорск: МГТУ, 2001-С. 36-37.

7. Оценка целесообразности применения контурного взрывания при проходке выработок в метасоматитах /В.Н. Калмыков, В.Х. Пергамент, А.В. Сараскин и др. //Освоение месторождений полезных ископаемых. Межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск, 2004. - С. 28-36.

8. Опыт разработки Учалинского месторождения медноколчеданных руд /В.В. Григорьев, А.В. Сараскин, М.П. Орлов и др. //Горный журнал, 2004- № 6. - С. 41-45.

9. Сараскин А.В., Мещеряков Э.Ю. Техника и технология крепления выработок на Учалинском подземном руднике //Нетрадиционные технологии и оборудование для разработки сложно-структурных МПИ: сборник докладов III международной научно-техн. конф. Чтения памяти В.Р. Кубачека.- Екатеринбург: УГГУ, 2005.-С. 76-79.

Подписано в печать 14.04.05. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 307.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок МГТУ

Zf.oo

1 9 МАЙ 2005

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Сараскин, Александр Викторович

Введение.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА,

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Анализ горно-геологических условий медноколчеданных месторождений, опыта проведения и эксплуатации подземных выработок.

1.2. Факторы, определяющие устойчивость подземных выработок.

1.3. Обзор способов крепления подготовительно-нарезных выработок.

1.4. Анализ методик расчета параметров крепи.

1.5. Цель, задачи и методы исследований.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПОРОДАХ ПРИ ПРОХОДКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЫРАБОТОК.

2.1. Анализ фактов вывалообразования в выработках рудников Учалинского ГОКа.

2.2. Изучение свойств и структурного строения метасоматически измененных пород.:.

2.3. Исследование напряженно-деформированного состояния массива вмещающего подземные выработки.

2.4. Оценка влияния буровзрывного способа проходки на состояние приконтурного массива выработок.

Выводы

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ КРЕПЛЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ

ВЫРАБОТОК.

3.1. Крепление метасоматитов анкерной крепью.

3.2. Упрочнение массива горных пород инъектированием полимерных растворов.

3.2.1. Подбор состава для упрочнения горных пород. 3.2.2. Исследования смолоинъекционного упрочнения пород.

3.2.3. Определение параметров смолоинъекции.

3.3. Крепление набрызг-бетонной крепью с использованием модифицирующих добавок.

Выводы.

Глава 4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ, ИХ АПРОБАЦИЯ И

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ.

4.1. Рекомендации по креплению выработок в метасоматитах.

4.2. Повышение устойчивости выработок применением безвзрывных способов проходки.

4.3. Внедрение технических и технологических решений по проведению и креплению выработок на подземных рудниках Учалинского ГОКа

4.4. Оценка эффективности технологических решений.

Выводы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование способов поддержания подземных выработок в метасоматически измененных породах медноколчеданных месторождений"

Освоение месторождений полезных ископаемых подземной физико-технической геотехнологией сопряжено с сооружением в недрах комплекса горных выработок. Особенности литолого-петрографического и минерального состава, физико-механических свойств, структурной нарушенности, параметров естественного поля напряжений каждой группы месторождений требуют индивидуального подхода к процессам проведения и крепления подземных выработок.

Особенностью строения медноколчеданных месторождений Южного Урала (Учапинское, Узельгинское, Гайское, Сибайское, Октябрьское, Алек-сандринское и др.) является залегание рудных тел в «оторочке» метасомати-чески измененных пород. Метасоматиты, имеющие достаточно высокие прочностные характеристики в массиве (коэффициент крепости f =8-Н6), при обнажении подземными выработками под действием шахтной атмосферы и подземных вод подвергаются быстрому выветриванию, набухают при насыщении водой и полностью теряют устойчивость.

Традиционные способы крепления подготовительно-нарезных выработок (набрызгбетон, штанговая, арочная податливая крепи) не обеспечивают устойчивость метасоматически измененных пород, что приводит к снижению безопасности горных работ и увеличению себестоимости руды, вследствие роста затрат на поддержание выработок.

Поэтому решение проблемы обеспечения устойчивости подземных выработок в метасоматически измененных породах медноколчеданных месторождений представляет собой весьма актуальную задачу.

Объект исследований: технология сооружения подземных выработок при освоении медноколчеданных месторождений Южного Урала.

Предмет исследований: способы крепления подготовительно-нарезных выработок в метасоматически измененных породах медноколчеданных месторождений Южного Урала.

Целью работы является обоснование способов поддержания подземных выработок в метасоматически измененных породах, обеспечивающих повышение устойчивости обнажений и безопасности горных работ.

Идея работы состоит в использовании установленных закономерностей изменения фазового состава, напряженного состояния и свойств мета-соматитов на контуре выработки для выбора эффективных способов крепления. •

Основные задачи исследований:

- изучение физико-механических свойств, структурной нарушенности метасоматически измененных пород медноколчеданных месторождений и влияния техногенного выветривания;

- установление закономерностей напряженно-деформированного состояния массива метасоматически измененных пород, вмещающего подземные выработки;

- исследование воздействия взрывных работ при проходке на устойчивость обнажений метасоматитов;

- обоснование способов упрочнения обнажений массива метасоматически измененных пород;

- разработка и опытно-промышленная апробация технических решений по креплению подземных выработок, их технико-экономическая оценка.

В работе использовались методы исследований, включающие: анализ опыта сооружения и поддержания подземных выработок в метасоматитах; математическое моделирование напряженно-деформированного состояния горного массива в упруго-пластической задаче; статистическая обработка результатов; аналитические расчеты и технико-экономический анализ результатов, промышленные эксперименты.

Положения, представленные к защите: •S Устойчивость обнажений вмещающих пород на медноколчеданных месторождениях зависит от степени их метасоматоза, определяемой содержанием в метасоматитах вторичных минералов и присутствием сульфидов железа.

•S Корреляционная связь прочностных и деформационных свойств мета-соматитов с их плотностью позволяет оперативно получать информацию о механических параметрах горного массива и состоянии обнажений пород с различной степенью метасоматоза. Безопасные условия эксплуатации выработок в метасоматитах обеспечиваются применением традиционных методов крепления в сочетании с мероприятиями по изоляции пород от шахтной атмосферы и кислотных вод.

Научная новизна работы состоит в установлении:

- зависимостей предела прочности на сжатие, модуля деформаций и сцепления метасоматитов от их плотности, позволяющих осуществлять оперативный прогноз механических свойств измененных пород;

- математических зависимостей размеров зон неупругих деформаций в кровле и боках выработки от глубины ее заложения, тектонических сил, механических свойств метасоматитов;

- закономерностей изменения механических свойств метасоматитов в процессе техногенного выветривания и перехода метасоматитов в другое фазовое состояние, используемых для ol ки устойчивости контура выработок;

- механизма упрочнения весьма измененных метасоматитов смолой КФ-Ж с водным раствором щавелевой кислоты, заключающегося в образовании прочных химических связей между оксониевым комплексом карба-мидной смолы и обменными катионами метасоматитов.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается представительностью и надежностью исходных данных; опытно-промышленной проверкой разработанных научно-технических решений; сопоставимостью результатов математического моделирования, аналитических расчетов и данных практики.

Практическая значимость работы состоит в разработке способов упрочнения метасоматически измененных пород на основе применения модифицированного набрызгбетона, самозаклинивающейся анкерной крепи и инъектирования смолой КФ-Ж с водным раствором щавелевой кислоты при проведении подготовительно-нарезных выработок на Учалинском и Узель-гинском подземных рудниках Учалинского ГОКа.

Реализация рекомендаций: результаты исследований внедрены на • подземных рудниках Учалинского ГОКа при проведении и поддержании подготовительно-нарезных выработок в метасоматически измененных породах.

Апробация работы: Результаты, основные положения и выводы докладывались на международных симпозиумах «Неделя горняка», Москва, 1999, 2000, 2002,2003, 2005 гг^международных научно-технических конференциях: «Комбинированная геотехнология: проектирование и геомеханические основы», Магнитогорск, 2001, 2003 гг.; «Нетрадиционные технологии и оборудование для разработки сложно-структурных МПИ», Екатеринбург, 2005; ежегодных научно-технических конференциях МГТУ и технических совещаниях Учалинского ГОКа.

Публикации: Основные положения диссертации опубликованы в 9 работах.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 89 наименований и содержит 164 стр. машинописного текста, 57 рисунков, 33 таблицы.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Сараскин, Александр Викторович

Выводы по главе 4:

1. Обоснованы категории метасоматитов 1-4 групп по физико-механическим свойствам в общей классификации пород месторождений Учалинского ГОКа: 1 - IVa; 2 - IV6; 3 - Va; 4 — V6, Vb. Обводненные метасоматиты предложено выделить в отдельный класс по устойчивости - VI.

2. На основании результатов проведенных исследований рекомендуется для крепления метасоматитов IV-V категорий устойчивости применять комбинированную крепь, состоящую из самозаклинивающихся ЖБШ, модифицированного бетонного раствора для набрызгбетона и заполнения шпуров с анкерами, металлической сетки; VI категории устойчивости — инъекцию массива смолой КФ-Ж с 10% водным раствором щавелевой кислоты.

3. Определены параметры рекомендуемых способов крепления метасоматически измененных пород Учалинского и Узельгинского месторождений: глубина штангования 0,9-г2,2 м; сетка штангования от 0,6x0,6 м до 1,1x1,1 м; отставание анкерной крепи от забоя принимать равным шагу крепления; отставание набрызгбетонной крепи толщиной 1-2 см принимать не более 5 м; сетка металлическая с размером ячейки 0,1x0,1 м; глубина смолоинъекции 0,7-И ,7 м; сетка шпуров для смолоинъекции 1,0x1,0 м.

4. По результатам анализа безвзрывных способов проведения выработок, характеризующихся значительно меньшей степенью отрицательного влияния на приконтурный массив, для проходки горизонтальных выработок .по метасоматитам рекомендованы комбайны КП -25, 41111-5, П-160, WIRT (Германия), ATM 105 («Вест Альпине», Германия). Для проходки восстающих выработок в метасоматитах рекомендован буровой комбайн 2KB. 5. Создание и внедрение на Учалинском руднике самоходных машин • для штангования и нанесения набрызгбетона позволило повысить производительность труда 33% и сократить расход цемента на 10 %. Применение комбайна 2KB обеспечило наряду с повышением устойчивости обнажений метасоматитов увеличение скорости проходки восстающих в 1,5 раза.

6. Технико-экономический анализ рекомендаций показал, что внедрение новых способов и параметров крепления, за счет в целом их меньшей себестоимости и отсутствия необходимости в ремонте; разработанного самоходного оборудования для механизации работ по креплению обеспечит экономический эффект для ОАО "УГОК" не менее 1,4 млн. руб.

152

Заключение

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научно-технической задачи по подержанию подземных.выработок в метасоматически измененных породах медноколчеданных месторождений, путем совершенствования способов и параметров крепления на основе комплексных исследований физических, механических и химических свойств метасомати-.тов, напряженно-деформированного состояния приконтурного массива и влияния взрывных работ на устойчивость обнажений. Основные результаты проведенных исследований сводятся к следующему:

1. Установлено, что при обнажении подземными выработками метасоматически измененных пород происходит их разупрочнение вследствие интенсивного водонасыщения по капиллярным трещинам и развития процесса гидратации водных алюмосиликатов с выщелачиванием катионов К, Na и замещением их на молекулы воды. По прошествии 2-3 месяцев с момента обнажения метасоматитов зона разупрочнения приконтурного массива достигает глубины 250 мм и развивается далее, что вызывает дополнительные нагрузки на крепь и приводит к потере ее несущей способности.

2. Выявлены закономерности между содержанием сульфидов в метасо-матитах, их плотностью у и основными характеристиками: пределом прочности [стсж], модулем деформаций Едеф, сцеплением С, углом внутреннего трения ф и коэффициентом Пуассона ц, что позволяет по значениям у оперативно прогнозировать свойства метасоматитов на различных участках массива.

3. Определены зависимости глубин зон неупругих деформаций от тектонической составляющей поля напряжений, глубины заложения выработки и прочностных свойств метасоматитов. Получены многопараметрические уравнения для определения глубин зон неупругих деформаций в кровле и боках выработок, пройденных в метасоматитах плотностью у = 2,6+4,0 т/м3 на глубинах Н = 200+800 м при тектонических напряжениях Т = 0+20 МПа.

4. Установлено, что наибольшее влияние взрывные работы оказывают на устойчивость пород призабойной зоны. Степень влияния взрыва возрастает по мере снижения прочностных свойств метасоматитов. Двукратное снижение массы заряда в оконтуривающих шпурах приводит к уменьшению размеров зоны влияния взрыва лишь на 20 %.

5. Опытно-промышленными испытаниями установлено, что применение самозаклинивающихся анкеров обеспечивает несение ими нагрузки q = 2,32,4 т/анкер непосредственно с момента установки. При установке анкера с бетонным заполнителем по истечении семи суток его несущая способность достигает q = 7,2 т.

6. Определен состав для смолоинъекции, обеспечивающий тампонаж и упрочнение весьма слабых и обводненных метасоматически измененных пород: карбонатная смола КФ-Ж в комплексе с отвердителем 10% водным раствором щавелевой кислоты.

7. Применение строительной полимерной добавки Г|Акватрон-6" (3% от массы цемента) в составе раствора для возведения ЖБШ и набрызгбетона предотвращает процесс разупрочнения метасоматитов за счет их газо- и гидроизоляции. Прочностные характеристики модифицированного бетона в 2-6 и 1,3-2 раза выше характеристик соответственно бетона традиционного состава и модифицированного более дорогими импортными добавками.

8. Для метасоматитов различных категорий, классифицированных по физико-механическим свойствам, определены способы крепления подземных выработок, обеспечивающие долговременную устойчивость обнажений: самозаклинивающиеся ЖБШ в комплексе с металлической сеткой и модифицированным бетонным раствором для набрызгбетона и возведения ЖБШ; инъекция массива смолой КФ-Ж с 10% водным раствором щавелевой кислоты.

9. Обоснованы параметры рекомендуемых способов крепления метасоматически измененных пород Учалинского и Узельгинского месторождений в зависимости от категорий их устойчивости: глубина штангования 0,9-г2,2 м; сетка штангования от 0,6x0,6 м до 1,1x1,1 м; отставание анкерной крепи от забоя принимать равным шагу крепления; отставание набрызгбетонной крепи толщиной 1-2 см принимать не более 5 м; сетка металлическая с размером ячейки 0,1x0,1 м; глубина смолоинъекции 0,7-И,7 м; сетка шпуров для •смолоинъекции 1,0x1,0 м.

10. Создание и внедрение на Учалинском руднике самоходных машин для штангования и нанесения набрызгбетона позволило повысить производительность труда на 33% и сократить расход цемента на 10 %. Применение комбайна 2KB обеспечило наряду с повышением устойчивости обнажений метасоматитов увеличение скорости проходки восстающих в 1,5 раза.

6. Технико-экономический анализ рекомендаций показал, что внедрение новых способов и параметров крепления, за счет в целом их меньшей себестоимости и сокращения затрат на ремонт; разработанного самоходного оборудования для механизации работ по креплению обеспечит экономический эффект для ОАО "УГОК" не менее 1,4 млн. руб.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Сараскин, Александр Викторович, Магнитогорск

1. Адамович А.Н., Колтунов Д.В. Цементация оснований гидросооружений. -М.: Энергия, 1964. -514 с.

2. Анкерная крепь:Справочник/А.П. Широков,.В.А. Лидер, М.А. Дзаурови др. М.: Недра, 1990.-205 с.

3. Баклашов И.В., Тимофеев О.В. Конструкции и расчет крепей и обделок. •М.: Недра, 1979.

4. Блескина Н.А., Федоров Б.С. Глубинное закрепление грунтов синтетическими смолами. М.: Стройиздат, 1980. 147 с.

5. Богацкий В.Ф, Пергамент В.Х Сейсмическая безопасность при взрывных работах/ сер. Безопасность буровзрывных работ — М. Недра, 1978, 128 с.

6. Ветошкин И.П. Проходка шахт способом цементации — Новосибирск, 1932.-42 с.

7. Виноградов В.В. Исследование и разработка методов, алгоритмов и программы прогноза устойчивости капитальных горных выработок в сложных горно-геологических условиях. Автореф. дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. ДГИ, 1975. -23 с.

8. Геомеханическое обоснование параметров подземной технологии на рудниках ОАО УГОК /Отчет по НИР № 01-01. Магнитогорск: МГТУ. 2001.

9. Глушко В.Т., Виноградов В.В. Разрушение горных пород и прогнозирование проявлений горного давления. М.: Недра, 1982, 192 с.

10. Глушко В.Т., Цай Т.Н., Ваганов И.И. Охрана выработок глубоких шахт. М.: Недра, 1975.-199 с.1.. Давыдов В.В., Белоусов Ю.И. Химический способ укрепления горных пород. М.: Недра, 1977. - 226 с.

11. Дружко В.Б., Заславский Ю.З., Перичка Ф.И. Устойчивость основных горных выработок. Донецк, 1975. - 328 с.

12. Единая технологическая инструкция по применению набрызгбетонной, штанговой и комбинированной крепей в капитальных, подготовительных и очистных выработках рудников цветной металлургии. — М., 1978.

13. Изыскание технологических решений по обеспечению устойчивости подготовительных выработок в метасоматитах Учалинского и Узельгинского. месторождений : Отчет по НИР 99-43. Магнитогорск, МГТУ, 2000.

14. Именитов В.Р., Кузьмин Е.В. Особенности смолоинъекционного упрочнения крепких трещиноватых горных пород /Горный журнал. 1986. -№ 1.-С. 33-35.

15. Именитов В.Р., Кузьмин Е.В. Выбор соотношения компонентов раствора для смолоинъекционного упрочнения карбонатных пород / Изв. Вузов. Горный журнал. 1982. - № 1. - С. 11-14.

16. Инструкция по креплению горизонтальных горных выработок и их сопряжений на железорудных шахтах Урала и Казахстана. -Свердловск -1986.-40 с.

17. Исследование геомеханического состояния массива горных пород Учалинского и Узельгинского месторождений /Отчет по НИР. Магнитогорск: МГМИ. 1990.

18. Кара В.В. Упрочнение пород кровли в очистном забое синтетическими смолами . — В кн.: Добыча угля подземным способом. 1977. - № 1. — С. 810.

19. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Нуждихин А.Г. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. Справочник. М.: Недра, 1989.-571 с.

20. Кариков»Е.П. Исследование и установление параметров химического укрепления участков неустойчивой кровли в очистных забоях. М.: МГИ, 1975.-228 с.

21. Качарава Г.Г., Мязин А.И., Двали Т.Ш. Очистка воздуха от фенола и . формальдегида /Безопасность труда в промышленности.- 1992 №2.

22. Кошумов Б.Х. Технология смолоинъекционного упрочнения пород повышенной трещиноватости /Горный журнал. 1999. - № 7. - С. 17 - 20.

23. Кошумов Б.Х., Аманжолов Э.А. Смолоинъекционное упрочнение скальных пород /Горный журнал. 1988. - № 1. - С. 38-39.

24. Кошумов Б.Х., Аманжолов Э.А. К вопросу упрочнения междукамерных целиков смолоинъекционным способом на шахтах Жезказгана /Горный журнал. 1996. - № 1-2. - С. 28-29.

25. Кузьмин Е.В. Смолоинъекционное упрочнение крепких трещиноватых горных пород //Экспресс-информация /ЦНИИЭИуголь. — 1982. Вып. 10. — 16 с.

26. Кузьмин Е.В. Смолоинъекционное упрочнение трещиноватых горных пород /Горный журнал. 1988. - № 10. - С. 47-51.

27. Кузьмин Е.В. Упрочнение горных пород при подземной добыче руд. М.: Недра, 1991.-253 с.

28. Либерман Ю.М. Давление на крепь капитальных выработок. М.: Наука, 1969.

29. Ломидзе Г.М. Фильтрация в трещиноватых породах. — Госгортехиздат. -1951.-127 с.

30. Макаров О.Н., Меркин В.Е. Транспортные тоннели и метрополитены. Техника и технология строительства: состояние и перспективы.-М.: ТИМР, 1991.

31. Маннанов Р.Ш. Повышение эффективности эксплуатации днищ блоков на медно-колчеданных месторождениях Урала. Автореф. дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. МГТУ, 2000. -19 с.

32. Методическое руководство по изучению инженерно-геологических условий рудных месторождений при их разведке. /Кузькин.В.И., Ярг JI.A., Кочетков М.В. М., 2001. 153 с.

33. Минеральные ресурсы Учалинского горно-обогатительного комбината ./И.Б. Серавикин, П. И. Пирожок, В. Н. Скуратов и др. -Уфа: Башк. кн. изд.,1994. -328 с.

34. Мороз А.И. Самонапряженное состояние горных пород.-М.: Изд-во МГГУ, 2004.- 288 с.

35. Мостков В.М., Дмитриев Н.В., Рахманнинов Ю.П. Проектирование и строительство подземных сооружений большого сечения. — М.: Недра, 1993.

36. Определение физико-механических свойств горных пород и руд нижнего яруса Узельгинского месторождения /Отчет по НИР. М.: ИПКОН РАН, 1992;

37. Определение физико-механических свойств руд и пород Учалинского подземного рудника /Отчет по НИР. М.: ИПКОН РАН, 1993.

38. Опыт укрепления приконтурного массива горных пород на рудниках Норильского комбината /Аршавский В.В., Бадтиев Б.П., Тапсиев А.П. и др.//Горный журнал. 1999. - № 2. - С. 77-79.

39. Оценка условий подземной разработки месторождений Учалинского ГОКа методами структурно-петрографического анализа /Отчет по НИР. М.: ТОО «ЭЛАС», 1995.

40. Пергамент В.Х. Критические скорости и параметры буровзрывных работ. //Методы управления действием взрыва/ сб.научн.тр. МГМИ.— Вып.89 — Магнитогорск, 1971-С .3-14.

41. Пергамент В.Х. Расчет сейсмобезопасных зарядов и расстояний при взрывных работах/ сб.научн.тр. МГМИ Вып. 151.- Магнитогорск, 1975 - С. 39-51.

42. Пергамент В.Х. Учет пространственной рассредоточености заряда ВВ в задачах взрывного дела// Инженерные методы управления действием взрыва ./Сб. научн. тр. МГМИ. -Вып.89 -Магнитогорск, 1971- С. 3-14.

43. Пергамент В.Х, Атлас А.Б, Сураев В.С, Мельников И.Т. Автоматизированный расчет безопасных условий сейсмических взрывов (АРБУСВ)/ Учебн. пособие —Магнитогорск, 1993.-64 с.

44. Пергамент В.Х, Медведев С.В, Богацкий В.Ф. Прогноз скоростей сейсмических колебаний при взрывах // Сейсмобезопасное взрывание на горных предприятиях/ сб. научн. тр. МГМИ.-Вып. 151.-Магнитогорск, 1975- С. 3-22.

45. Пергамент В.Х, Пономарев В.Т. Параметры волн напряжений при взрывах.// V Всесоюзный симпозиум по распространению упругих и упруго-пластических волн.-Ала-Ата, 1971. —С. 171-173.

46. Перельман В.И. Краткий справочник химика, М-Л.: Химия, 1964.

47. Прокин В.А. Закономерности размещения колчеданных месторождений на Южном Урале. М.: Недра, 1977.-176 с.

48. Рахимов В.Р., Риккерт Э.Ф., Саидкасымов Д.К. Неоднородность прочностных свойств трещиноватых массивов скальных пород // Известия Вузов. Горный журнал. -1991. №6. - С. 1 -4.

49. Репников JI.H. Роль штангового крепления в использовании несущей способности горного массива /Диссертация на соиск. уч. степ. канд. техн. наук-М.: НИИОСП, 1963.

50. Ржевский В.В., Кутузов Б.Н. Методика сейсмического определения трещиноватых массивов горных пород на карьерах с целью оценки их взры-ваемости. М.: ИФЗ АН СССР, 1970. - 42 с.

51. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М.: Недра, . 1984. т 360 с.

52. Ромм Е. С. Фильтрационные свойства трещиноватых горных пород. -М.: Недра, 1966. -283 с.

53. Рудоносные метасоматические формации складчатых поясов. М.: Недра, 1992.-253 с.

54. Рукин В.В., Руппенейт К.В. Механизм взаимодействия отделки напорных тоннелей с массивом горных пород. М.: Наука, 1969. -156 с.

55. Руководство по креплению и поддержанию капитальных, подготовительных, разведочных и нарезных выработок Учалинского подземного рудника Учалинского ГОКа. Учалы Екатеринбург. - 1999.

56. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи. М.: Стройиздат, 1983.

57. Руппенейт К.В. Давление и смещение горных пород в лавах пологопа-дающих пластов. М.: Углетехиздат, 1957. 222 с.

58. Руппенейт К.В., Либерман Ю.М. Введение в механику горных пород.-М: Госгортехниздат, 1960. — 356 с.

59. Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород. М.: Углетехиздат, 1952.

60. Рыльникова М.В. Основы геомеханики. М.: Руда и металлы, 2004.

61. Сажин B.C. Упруго-пластическое распределение напряжений вокруг горных выработок различного очертания. М.: Наука, 1968. — 98 с.

62. Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках /Борщ-Компаниец В.И., Батугина И.М., Варлашкин В.М. и др. М.: Недра, 1984.-247 с.

63. Сдобников П.В., Курчин М.К., Курчина Е.И. О размерах зоны неупругих деформаций вокруг выработок, пройденных буровзрывным способом. — В кн.: Горное давление в капитальных и подготовительных выработках. Новосибирск, СО АН СССР, 1975.- С. 97-101.

64. Смирняков В.В., Вихарев В.И., Очкуров В.и. Технология строительства горных предприятий. М: Недра, 1989. - 573 с.

65. Совершенствование анкерной крепи на рудниках Жезказгана /Алипбергенов М.К., Есенбаев С.Е., Аманжолов Э.А. и др. /Горный журнал, № 5. 2002 - С. 76-78.

66. Соколович В.Е. Химическое закрепление грунтов. М.: Стройиздат, 1980.-118 с.

67. СНиП П-28-73 «Защита строительных конструкций от коррозии».

68. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Пластичность горных пород. М.: Недра, 1979.-301 с.

69. Структурные особенности и физико-механические свойства руд и пород Учалинского и Узельгинского месторождений /Отчет по НИР. Санкт-Петербург: ВНИМИ. 1992.

70. Технологическая инструкция по возведению крепей подземных горных выработок на рудниках Учалинского ГОКа. Учалы-Екатеринбург: Унипро-медь, 2000.

71. Технология и безопасность буровзрывных работ. Часть 2 — Апатиты: Кольский научный центр РАН, 2001. С. 94 - 95.

72. Технология закрепления анкеров минеральным заполнителем /Ануфриев В.Е., Барковский В.В., Гараев Ю.Д. и др. //Горный журнал. -1999.-№2.-С. 41-43.

73. Типовые паспорта крепления горных выработок для рудников цветной металлургии. Москва: Министерство цветной металлургии СССР, 1978.

74. Трупак Н. Г. Специальные способы проведения горных выработок. -М.: Недра, 1975.-496 с.

75. Трупак Н.Г. Цементация трещиноватых пород в горном деле. М.: Ме-таллургиздат, 1956. - 240 с.

76. Трупак Н.Г., Чупрунов Г.Д., Эткин Г.С. Исследование способа закрепления песчаных пород синтетическими смолами. В кн.: Материалы XIII научно-технической конференции. М., 1969. вып. 10. - С. 39-45.

77. Федунец Б.И. Технология проведения горных выработок в крепких породах комбайнами. М.: МГИ, 1988.

78. Фисенко Г.Л. Предельные состояния горных пород вокруг выработок. М.: Недра, 1976.-272 с.

79. Шаровар И.И. Применение штанговой крепи на подземных работах //ЦНИИЧерметинформация, 1975.-53 с.

80. Шахтное и подземное строительство: Учеб. для вузов: В 2 т./ Б.А. Картозия, Ю.Н. Малышев, Б.И. Федунец и др. М.: Академия горных наук, 1999.-Т.1.-607 с.

81. Широков А.П. Теория и практика применения анкерной крепи. — М.: Недра, 1981.-391 с.

82. Штумпф Г.Г., Егоров П.В., Шендрыгин А.Г. Повышение безопасности горных выработок при их креплении анкерной крепью //Безопасность труда в промышленности.-2002.-№2.-С. 30-32.

83. Юхимов Я.И., Гальперин В.Г. Опыт укрепления трещиноватых неустойчивых пород инъекциями синтетических смол /Горный журнал. 1986. -№8.-С. 32-34.