Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Повышение эффективности проведения и крепления подготовительных и нарезных выработок в зонах тектонических нарушений на железорудных месторождениях

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

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности проведения и крепления подготовительных и нарезных выработок в зонах тектонических нарушений на железорудных месторождениях"

485002Ь

Филиппов Владимир Нико

Повышение эффективности проведения и крепления подготовительных и нарезных выработок в зонах тектонических нарушений на железорудных месторождениях

Специальность 25.00.22 — «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск—2011

1 6 ИЮН 2011

4850026

Работа выполнена в учреждении Российской академии наук Институте горного дела Сибирского отделения РАН *

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор

Еременко Андрей Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кулаков Геннадий Иванович

Ведущая организация — «Научный центр ВостНИИ по безопасности в горной промышленности» (ОАО «НЦ ВостНИИ»)

Защита диссертации состоится <<]7» июня 2011 г. в ]3 часов на заседании диссертационного совета Д003.019.01 в Институте горного дела СО РАН по адресу: 630091, г. Новосибирск-91, Красный проспект, 54.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «16» мая 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Бурков Юрий Васильевич

доктор технических наук

Попов Н. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Железорудные месторождения Горной Шории разра-тываются на больших глубинах, в прочных и сильно нарушенных породах. При ом большой объем горных выработок проходится в зонах геологических наруше-й на удароопасных участках. На состояние массива горных пород в районе выра-ток оказывают большое влияние, кроме напряжений, объема выработанного очи-ного пространства и т.п., также наличие зон тектонических нарушений, где в вы-ботках различного назначения наблюдается обрушение горных пород, вспучива-е почвы, искривление железнодорожных путей при толчках, микроударах, удах и ударах горно-тектонического типа. В связи с этим задача проведения и креп-ния выработок в зонах тектонических нарушений, даек, контактов руд и пород в ловиях отработки удароопасных месторождений при высоких горизонтальных пряжениях в массиве актуальна и имеет важное научное и практическое значе-е.

Цель работы — повышение эффективности и безопасности проведения и епления подготовительных и нарезных выработок в зонах тектонических нару-ний в удароопасных условиях железорудных месторождений.

Идея работы состоит в использовании закономерностей распределения ди-шческих явлений различной интенсивности в геодинамически опасных зонах в йонах разрывных! нарушений для повышения эффективности и безопасности оведения и крепления подготовительных и нарезных выработок.

Задачи исследований:

— определить влияние горных работ на состояние подготовительных и на-зных выработок при сильных динамических явлениях в различных горнологических условиях;

— установить закономерности распределения динамических явлений в зонах рывных нарушений при различных категориях удароопасности горных пород;

— разработать и обосновать эффективные способы проведения, крепления работок и снижения удароопасности в зонах тектонических нарушений на опас-IX и склонных к горным ударам железорудных месторождениях и разработать тодики расчета параметров буровзрывных работ и выбора вида крепи.

Методы исследований включают научное обобщение и анализ эксперимен-ьных данных, полученных с использованием геофизических методов контроля стояния массива горных пород, статистической обработкой натурных наблюде-й, промышленные эксперименты.

Основные научные положения, защищаемые автором:

— проведение и крепление подготовительных и нарезных выработок в уда-опасных районах определяется углом пересечения выработки тектонических на-

рушений от 25 до 50° при I и II категориях удароопасности, до 60-90° при III кат гории удароопасности, и шириной геодинамически опасной зоны, которая завис от расположения, угла падения и расстояния от лежачего и висячего боков разры ных нарушений, а также местоположения динамических явлений;

— повышение безопасности и эффективности проведения и снижения уд роопасности в категорийных выработках в зонах тектонических нарушений дост гается путем применения схем дифференцированного расположения горизонтал ных и наклонных одиночных и сближенных шпуров и скважин различного диаме ра;

— повышение устойчивости подготовительных и нарезных выработок в ге динамически опасных зонах достигается за счет применения крепления и определ ется сочетанием категории устойчивости горных пород, изменяющейся от 1 (весь устойчивые) до 5 (весьма неустойчивые), и ранга крепи от 0 (без крепления) до (железобетонная крепь).

Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций подтве ждается многочисленными и длительными измерениями (более 10 лет) в натурн условиях поведения массива горных пород в различных горно-геологических ус виях; сопоставимостью данных аналитических расчетов с данными, полученны экспериментальными методами и по визуальным наблюдениям за состоянием г ных выработок.

Новизна научных положений:

— выявлено влияние горных работ на объемы нарушений в подготовите ных и нарезных выработках с I-III категориями удароопасности при горных удар микроударах и толчках;

— установлено, что расположение подготовительных и нарезных выработ в удароопасных районах в шахтном поле зависит от ширины геодинамически оп ной зоны от разрывных нарушений;

— выявлено влияние рациональных схем дифференцированного располо; ния горизонтальных и наклонных одиночных и сближенных шпуров и скваж разного диаметра в массиве в зонах разрывных нарушений на качество оформлен выработок и перемещение опорного давления вглубь массива горных пород;

— установлено, что протяженность геодинамически опасной зоны в масс] горных пород от разрывных нарушений находится в параболической зависимо' от величины амплитуды смещения висячего и лежачего боков нарушений;

Личный вклад автора состоит в: оценке состояния нарезных и подгото тельных горных выработок при динамических явлениях; выявлении основных кономерностей формирования напряженно-деформированного состояния масс] горных пород в зонах тектонических нарушений, влиянии очистных работ на

ояние выработок при динамических явлениях; разработке и обосновании рацио-ьных способов проведения, крепления выработок и снижения удароопасности в ловиях месторождений Горной Шории.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработаны новые циональные способы проведения, крепления выработок и снижения удароопас-сти, методики расчета параметров буровзрывных работ и выбора вида крепи, еспечивающие безопасность и эффективность проходческих работ в условиях рывных нарушений на железорудных месторождениях.

Реализация работы в промышленности

Диссертация выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских бот ИГД СО РАН и ОАО «ВостНИГРИ», в рамках научной школы академика Н М. В. Курлени (НШ №№ 2273.2003.5; 5974.2006.5; 1534.2008.5, 3556.2010.5) и и финансовой поддержке РФФИ (проекты №№ 02-05-64240; 01-05-79010к; 02-05183; 04-05-7902). Научные результаты и практические рекомендации по разра-тке и реализации способов проведения и крепления выработок в районах текто-шских нарушений в удароопасных условиях внедрены на месторождениях ОАО вразруда». Экономический эффект составил более 1,7 млн руб. (в ценах 2008 да).

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы и результаты исследований кладывались на Международной научной конференции «Геодинамика и напря-енное состояние недр Земли» (Новосибирск, 2005, 2009 гг.); на The 6th Internationsymposium on rock burst and seism city in mines proceedings (RaSimö) «Controlling ismic Rick», (Perth, AUSTRALIA, 2005); «Неделя горняка» (Москва, 2002, 2005, 07, 2008); the 6th International Conference on Physical Problems of Rock Destruction hina, 2009); Seventh International Symposium on Rockburst and Seismicity in Mines oceedings (China, 2009); на научно-технических конференциях ОАО «Евразруда» . Новокузнецк, 2002-2010 гг.)

Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в 21 работе, в том числе в монографиях, 16 статьях, 1 патенте РФ.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из 4 глав, введения и заключения, изложенных настра-цах машинописного текста, содержит 78 рисунков, 40 таблиц, список литературы 107 наименований и 5 приложений.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д.тл проф. Еременко А. А., сотрудникам лаборатории физико-технических геотехнол гий ИГД СО РАН за ценные замечания при выполнении и обсуждении результат исследований, а также сотрудникам лаборатории проведения и крепления горнь выработок ВостНИГРИ, работникам Горно-Шорского и Таштагольского филиал ОАО «Евразруда», службам ППГУ рудников за советы и помощь, оказанную п выполнении исследований.

Содержание работы

В первой главе выполнен краткий обзор геологической, горнотехнической геомеханической обстановки на железорудных месторождениях Горной Шори изучены представления о механизме формирования горных ударов и способах пр ведения массива горных пород в неудароопасное состояние, а также опыт прове ния и крепления выработок в сложных горно-геологических условиях.

Горная Шория является одним из отрогов Алтае-Саянской складчатой зон Здесь располагаются железорудные месторождения Темир-Тельбесской (Казск месторождение) и Кондомской (Таштагольское и Шерегешевское месторожден групп. Месторождения вскрыты вертикальными стволами на глубину более 1000 Темпы проведения подготовительных и нарезных выработок около 30 тыс. м в го

Технологические блоки отрабатываются при следующих системах разраб ки: этажно-камерной и этажного принудительного обрушения со взрывной отб кой на компенсационные камеры и зажатую среду. Производство технологическ и массовых взрывов провоцирует динамические явления, сопровождающиеся рушениями горной массы в подготовительных и нарезных выработках.

По данным исследований СФ ВНИМИ, ВостНИГРИ, ИГД СО РАН и К ГТУ, железорудные месторождения Горной Шории характеризуются высоки тектоническими полями напряжений, в которых вне зоны влияния очистных ра горизонтальные составляющие напряжений в 1,4-3,0 раза больше вертикальн обусловленных весом пород.

Значительный вклад в теорию и практику подземной разработки местор дений, в исследование причин возникновения горных ударов, механизмов их п явлений и управления горным давлением внесли ученые: С. Г. Аверш И. Т. Айтматов, С. А. Батугин, И. М. Батугина, Н. П. Влох, Н. Г. Дубын П. В. Егоров, А. А. Еременко, А. В. Зубков, А. А. Козырев, М. В. Курленя, Г. Кулаков, С. В. Кузнецов, А. В. Леонтьев, В. Н. Опарин, И. М. Петух В. М. Серяков, Б. В. Шрепп, В. С. Ямщиков и др. В их работах установлено, возникновению горных ударов способствуют особенности распределения поля пряжений в массиве горных пород и в зонах опорного давления при ведении очи

ых работ, размеры образующихся отработанных очистных пространств, целиков, нергия взрывов и др.

На месторождениях сложилась трехуровневая схема прогноза горных уда-ов, которая предусматривает осуществление мероприятий, направленных на уста-овление удароопасности месторождений, региональный прогноз удароопасности в ределах шахтного поля, прогноз степени удароопасности отдельных участков удного и породного массивов.

Большой вклад в решение вопросов оценки состояния массива горных пород разработки способов снижения удароопасности внесли А. А. Ренев, . М. Петухов, А. П. Запрягаев, А. В. Исаев, В. А. Фатхи, П. В. Егоров, . С. Шатилов, Б. Ш. Винокур и др. В их работах отражены различные способы и еры борьбы с горными ударами, такие как камуфлетное взрывание, нагнетание оды, разгрузочные скважины, выбор рациональной формы поперечного сечения фаботки и т.д.

Результаты исследований по проведению и креплению выработок в сложных рно-геологических условиях изложены в работах следующих ученых: . Г. Авершина, Н.С.Булычева, Ю.В.Буркова, В.Е.Боликова, Е. А. Белоусова, . С. Ващенко, П. М. Вольсона, А. И. Копытова, Н. И. Мельникова, В. В. Першина, . Г. Протосени, В. А. У скова, А. И. Федоренко, В. П. Фролова и др. Выявлено, что ри проведении горных выработок равновесие пород нарушается, происходит пе-ераспределение первоначальных напряжений, деформация пород проявляется в ещениях стенок и кровли выработок, прогибах слоев, появлении трещин и обру-ении горных пород.

Тенденция к увеличению глубины разработки, расширению границ шахтных рудных полей по падению и простиранию приводит к тому, что с каждым годом еличивается количество выработок в зонах тектонических нарушений и повыша-ся горное давление. Вовлечение в отработку нарушенных и глубоко залегающих дных тел обусловливает проведение очистных выработок в аналогичных рай-ах.

В вышеуказанных условиях проходка горных выработок осуществляется с мощью придания ее поперечному сечению наиболее устойчивой формы, применил различных видов постоянной и временной крепи, увеличения несущей спо-бности массива горных пород с помощью искусственного укрепления их в мес-х нарушений, рационального расположения выработок относительно других вы-боток и в массиве, снижения напряжений в массиве пород вокруг выработок, именения способов проходки, обеспечивающих наименьшее ослабление прикон-рного массива пород и др.

На основе анализа состояния вопроса, показавшего актуальность задачи области проведения и крепления выработок в сложных горно-геологических уел виях определены цель и задачи исследований.

Во второй главе изложены результаты исследований влияния горных раб на состояние подготовительных и нарезных выработок при динамических явлени в различных горно-геологических условиях. Дана оценка регионального и лок ного изменения НДС массива горных пород микросейсмическим и электроме-ческим методами.

Проведенный анализ статистических данных показал, что 80 % случаев п явления динамических явлений связаны со взрывами. Выявлено, что большинс динамических явлений (горно-тектонические удары) инициировано массовы взрывами и приурочены к району крупных тектонических нарушений в услов высоких горизонтальных напряжений.

С 1992 по 2010 гг. на удароопасном Таштагольском месторождении горн работы проводились на глубине от 600 до 850 м от земной поверхности, при эт осуществлено более 30 массовых и 450 технологических взрывов с сейсмическ энергией 103-Н08 Дж. В этот период в районах подготовительных и нарезных вы боток с категориями удароопасности I-I1I часто с углами пересечения выработо разрывными нарушениями 25-90° происходили различные проявления горного д ления в динамической форме: интенсивные заколообразования, стреляния, внез ные обрушения, толчки, микроудары, а также горные удары и удары гор тектонического типа с сейсмической энергией от 1,5-104 до 2,3-109 Дж.

Установлено, что динамические явления различного типа во всех случ приводят к разрушению крепи, кровли и бортов выработок, вспучиванию почвь искривлению рельсовых путей, большим вывалам горных пород и влечет за со большие затраты на ремонтно-восстановительные работы.

Горные выработки на месторождениях в основном пересекают зоны тек нических нарушений и находятся в условиях высоких природных напряжений, массовых и технологических взрывах, а также при выпуске горной массы из к пенсационных камер происходят микроудары при проведении выработок. Нап мер, в январе 2004 г. и в марте-апреле 2004 г. произошли микроудары на учас Главный (Шерегешевское месторождение) в районе блока № 14, вызванные нак лением напряжений в массиве горных пород в результате взрывных работ. Ди мические явления зарегистрированы энергетического класса 6,3 и 9,4 (рис. 1) горных выработках выявлены места нарушений, такие как вспучивание почвь поднятие рельсовых путей, обрушение горных пород в объеме 8-10 м3.

Дна

Рис. 1. Сейсмические события на стыке участков Главный и Болотный

Проведены исследования состояния выработок при толчках различной ин-енсивности. За период с 2000 по 2010 гг. на Таштагольском месторождении заре-истрировано более 20000 толчков, из них с энергетическим классом более 5 про-зошло 173.

С 1996 г. в основном наблюдается увеличение общего количества толчков за од. Количество событий 3-9 классов практически не меняется (кроме 2005 и 2007 г.). В эти годы проведено наибольшее количество технологических взрывов и на-алось проведение выработок на новом, более глубоком горизонте (-350 м). Выяв-ено, что из общего количества толчков в выработках, зафиксированных в 2007 г., обытия с энергией 1000 Дж, зафиксированные без проведения взрывных работ в ¡работках, составляют 3 %.

На Шерегешевском месторождении за период с 1980 по 2010 гг. (кроме 2007 ) произошло 294 динамических явления. За период 2009 г. отмечено 7 толчков с ергетическим классом менее 2. Наибольшее количество данных динамических яв-ний произошло в выработках удароопасного участка Главный, находящегося в ожных горно-геологических условиях. В результате произошедших толчков с энер-тическим классом 4,8-5,8 после технологических взрывов наблюдались различные зрушения кровли и бортов выработок.

Проведенные исследования показали, что причиной динамических явлений всех случаях являлось наличие удароопасных пород, тектонических нарушений зличной направленности, контакта руды и пород в условиях перераспределения гсоких напряжений, спровоцированных взрывами и при ведении проходческих бот.

Наряду с определенными линейными размерами зон повышенных концен-аций динамических явлений важное значение имеет угол (а), под которым выра-тка пересекает тектоническое нарушение. Как следует из представленного на

9

рис. 2, при углах а 50° удароопасность горных пород резко возрастает. Увеличен! выявленных повышенных категорий удароопасности (I и II) и количества толчк достигают максимального значения при углах а 25-50°, минимальная вероятное выявления I и II категорий наступает при а=80-90°. В выработках с III категори удароопасности критические значения угла а соответствуют 60-90°.

Рис. 2. Изменение количества динамических явлений в зависимости от угла встречи (а) выработки с тектоническим нарушением. 1 —/, II категории удароопасности; 2 — III категория удароопасности

В третьей главе представлены исследования напряженно-деформированно состояния массива горных пород при проведении и креплении выработок в зон тектонических нарушений.

В производственных условиях устанавливались особенности формирован НДС массива горных пород при проведении и креплении горных выработок. У роопасность массива горных пород определялась шириной геодинамически оп ной зоны, которая зависела от местоположения, углов падения и расстояния от сячего и лежачего боков разрывных нарушений, а также расположения зон конц трации толчков.

Общая оценка напряженного состояния массива и выявления его при1 женных участков выполнялась методами регионального прогноза, а критерии у роопасности конкретных участков массива определялись методами локальн прогноза. Контроль за региональными изменениями НДС массива при проведен исследований осуществлялся микросейсмическими и электрометрическими ме дами. Локальный прогноз производился с помощью электрометрии и метода г бинных реперов.

Проведенный анализ показал, что тектоника железорудных месторожден Горной Шории отмечается большим количеством дизъюнктивов и многообрази форм их проявлений. Эксплуатируемый участок Восточный расположен на воет

ом крыле Таштагольской антиклинали. На участке разведано 12 рудных тел, кото-ые разделяются Диагональным разломом. Рудные тела представлены линзами раз-ичной мощности, разделенных вмещающими породами, дайками и разрывными арушениями. В 200 м к юго-востоку отрабатывается Юго-Восточный участок, а акже на глубине 640 м (гор. -140 м) вскрыт Северо-Западный участок.

В формировании НДС земной коры определяющую роль играют разрывные ектонические нарушения. Выделены активные и пассивные нарушения. Среди ктивиых выделяются динамически активные нарушения, в районе которых возни-ают динамические явления. Установлено, что при проведении выработок в зоне ектонически активных разломов наблюдаются проявления горного давления не-ольшой интенсивности, то при попадании в дальнейшем этой зоны в район влия-ия очистных работ часто возникают горно-тектонические удары.

В результате проведенного анализа влияния тектонических нарушений на озникновение горно-тектонических ударов выделена предполагаемая зона повы-енных нагрузок в районе разрывных нарушений, которая является очагом воз-ожных динамических явлений. Главной особенностью участков в этой зоне явля-тся блочный характер их структуры. Таштагольская антиклиналь осложнена тек-оническими зонами и трещинами: крупноамплитудные и мелкоамплитудные раз-ывные нарушения.

При проведении подготовительных и нарезных выработок отмечено повы-енное количество толчков в сиенитах, скарнах и в контактовых частях руда-карн (16 %), в руде (11 %) и на контакте сиенитов и сланцев 6,3 и 11,6 % (табл. )•

Таблица 1

Распределение толчков по типам пород

Название пород Количество

толчков %

Скарн 28 16,2

Сиенит 28 16,2

Руда 20 11,6

Целик восточнее рудного поля 8 4,6

Сланец 15 8,7

Контакт руда - скарн 29 16,8

Контакт руда - сланец 4 2,3

Контакт руда - сиенит 8 4,6

Контакт скарн - сиенит И 6,3

Контакт скарн - сланец 2 1,2

Контакт сиенит - сланец 20 11,6

Всего 173 100

Глубина ведения горных работ на Шерегешевском месторождении составл ет 500-700 м. Выявлены крупные разрывные нарушения в пределах всех участк месторождения. Характерной особенностью является то, что рудовмещающая то ща пород его сложена преимущественно породами (скарнами, диоритами, порф ритами и т.д.), крепость и упругие характеристики которых больше, чем у руды 1,5-2 раза. Руды и вмещающие породы месторождения прочные, высокомодульны хрупко разрушающиеся под нагрузкой, способны накапливать значительную упр гую энергию деформации.

Установлено распределение общего количества динамических явлений ( по уровню энергии (Е) (рис. 3). Рассматривая условия отработки Шерегешевско месторождения, следует отметить следующие особенности. Месторождение хара теризуется наличием блоковой структуры и высокими тектоническими полями н пряжений, в которых горизонтальные напряжения в 1,4-3 раза больше вертикал ных; наличием рудных и породных блоков, охранных целиков, пустот и реки земной поверхности. Это повлияло на появление динамических явлений в фор микроударов 6-9 энергетического класса, увеличение объемов обрушения горнь пород (8-10 м3), вспучивание почвы, искривление рельсовых путей и т.д. Устано лено, что 80 % проявлений горного давления в динамической форме происходит выработках на горизонте подсечки блоков, при оформлении компенсационных к мер и ведении взрывных и проходческих работ.

Рис. 3. Распределение динамических явлений по интенсивности.

1 — в породном массиве, 2 — в рудном массиве, в т. ч. на контакте руда - порода

Выполнена оценка напряженного состояния массива горных пород на осно закономерности пространственного распределения динамических явлений, а так определения границ опасных зон от разрывных нарушений.

Совместно с к.г.-м.н. Веселовым А. И. установлено, что тектоническая i рушенность отражает потенциальную удароопасность массива горных пород месторождениях. Показателем для определения ширины опасной зоны прямым м тодом принята густота трещиноватости, которая определяется по формуле

100 90 80 70 60 50 40 30 2 1

1

2

п

/

е Кн — показатель густоты трещиноватости, отражающей количество трещин на пог. м выработки; п — количество трещин; / — исследуемый интервал.

По показателю Кн >0,6 проводится геометризация и строятся планы его

аспределения с выделением границы опасной зоны и определением расстояния от естителя до изолиний Кн как в висячем, так и в лежачем крыльях нарушения.

Ширина опасной зоны (В) по аналитическому методу находится в параболи-ской зависимости от величины амплитуды смещения висячего и лежачего боков рушения и определяется по формуле

е N — амплитуда смещения в плоскости сместителя.

Определена ширина опасных зон вокруг разрывных нарушений Таштаголь-ого и Шерегешевского месторождений, которая колеблется соответственно от 5-до 65 м и более (рис. 4). Выделены особенности «оживления» геодинамически тивных зон: при Кп > 1,5. Установлено, что большинство толчков происходит у рушений крутого падения.

При креплении выработок оценка напряженного состояния, степень ударо-асности руд и вмещающих пород и местоположение разрывных нарушений осу-ествлялась электрометрическим и деформационным методами, а также кернового >ения, при этом определялись 1-Ш категории удароопасности.

ис. 4. Распределение динамических явлений на различных средних расстояниях от тектонических нарушений Диагонального (Д.н.), Восточного (В.н.), Пологого (П.н.), СевероЗападного (С.-з.), оперяющие трещины Диагонального нарушения (Од. тр.) и оперяющие ещины Северо-Западного нарушения (Ос. тр.) на Таштаголъском месторождении. 1,2 — ответственно ширина опасной зоны со стороны висячего и лежачего крыла сместителя

b = ZJN

(2)

%

-I-Ц-и-1-.-1-1-1, ■ I-1—1-н-з

5 10 15 20 30 40 50 60 70 ц

л

Рис. 5. Паспорт крепления орта№ 16 в зоне тектонического нарушения

Так, например, при бурении скважин в направлении орта № 16 гор. -2101 Таштагольского месторождения выявлено, что на расстоянии 25-30 м располагаем напряженная тектоническая зона между дайкой и сиенитом. В дальнейшем в эт зоне установлена крепь СВП-17 с уменьшенным шагом 1 м и забутовкой закрепи го пространства деревом (рис. 5). Взрывная отбойка забоя спровоцировала мик удар на контакте этой зоны и дайки.

На основании проведенных исследований установлено, что при проведен, и креплении подготовительных и нарезных выработок в блоках следует учитыва влияние ширины опасной зоны (колеблется от 5 до 65 м и более) от тектоническ нарушений.

В четвертой главе приведены результаты исследований по совершенство; нию способов проведения и крепления подготовительных и нарезных выработок также снижения удароопасности на месторождениях, склонных и опасных по г: ным ударам.

Месторождения Горной Шории разрабатываются подземным способом в | пряженном массиве горных пород на больших глубинах. Откаточные штреки и ты, буровые, скреперные, вентиляционные выработки, подсечки и т. д. находятс. районах геологических структур и испытывают влияние очистных работ. Про денные экспериментальные исследования показали, что повышение безопасности эффективности проведения и крепления подготовительных и нарезных выработо зонах тектонических нарушений достигается путем применения рациональн

рем дифференцированного расположения горизонтальных и наклонных одиноч-ых и сближенных шпуров и скважин разного диаметра, а также податливых видов репей.

Применение различных схем расположения шпуров и скважин оказывает |1ияние на качество оформления выработок, темпы проходки, а также на перемещение опорного давления вглубь массива горных пород.

Разработаны новые паспорта на проведение откаточных выработок, камер |ДПУ-4ТМ, выработок на горизонте подсечного пространства и бурового горизон-I в блоках в районах геодинамически опасных зон (рис.6).

■ Для повышения эффективности и безопасности проведения откаточных вы-1|боток следует применять схемы расположения шпуров с компенсационными ¡сважинами увеличенного диаметра во врубе. Результаты экспериментов показали, го данный способ позволяет повысить скорость проходки выработок в 1,2-1,7 ^за.

—

3^00

А-н

.10 4 ? 5

*26 ° I 1Т1-3 О сю о

12 3

В-8

22-12-13-23"*

' 14-11-15_

I .„ЙЙНКй-""1 £_2Ш_„

Л

ис. 6. Схемы расположения шпуров и скважин при проходке откаточных выработок: а-с той компенсационной скважиной во врубе; б - с двумя компенсационными скважинами во \>бе; в - конструкция заряда шпура; 1 - бумажный пыж; 2 - боевик; 3 - аммонит скальный; 4 - детонит М, 5 - граммонит 79/21; 6-провод

\

Разработан способ проходки камер под ВДПУ-4ТМ с использованием глуб ких взрывных и компенсационных скважин, который позволил обеспечить без пасные условия труда в сложных геологических условиях, повысить производ тельность труда проходчиков от 0,75 до 1,38 м/смену и получить ровную, под : ним заданным углом наклона к горизонту поверхность массива, пригодную в ка стве фундамента для монтажа вибропитателя. I

Проведенные экспериментальные исследования по разработке рациональ; го способа проходки выработок горизонта подсечного пространства с использо нием во врубе двух компенсационных скважин позволили повысить скорость щ| ходки в 2 раза и сократить сроки подготовки очистных блоков, при этом элект метрический коэффициент увеличился от 5,3 до 10 и более. Выработки горизо подсечки сконцентрировали в единую сеть, позволяющую эффективно исполь: вать высокопроизводительные горные машины и производить нарезные работы всему фронту.

Технология проходки буровых выработок с применением глубоких скваж| позволила увеличить коэффициент использования шпура с 0,83 до 0,97 и подвид ние забоя за цикл с 1,5 до 1,8-2 м (рис. 7). Также совместно с ВостНИГРИ прош испытание несколько конструкций трубчатых анкеров взрывного закрепления. ', кой способ крепления позволяет армировать окружающие выработку металли скими трубами, создавать в массиве горных пород контур (порода-крепь), обес! чивающий устойчивость выработки. |

' 15

• 13 14 •

5 4 6

7 1 Г } 8

2

9 10

11 12

17 16 18

« 1800 ,

13, и

. о, 3, 8

ГГЛЫ!

Рис. 7. Схема расположения шпуров и скважин для проходки буровых выработок: 1 — скважина, 2-14 — шпуры

Предложена методика и произведен выбор способов крепления подгото тельных и нарезных выработок в различных горно-геологических условиях. Воп сы крепления горных выработок неразрывно связаны с анализом геологичес условий и оценкой устойчивости горного массива. Оценка устойчивости вырабо в удароопасных условиях осуществляется по трем основным показателям: проч; стным, трещиноватости и исходного напряженного состояния массива горных

од. По данным показателям устанавливается категория устойчивости горных по-од и на основании ее определяется вид крепи, необходимой для поддержания вы-аботки в устойчивом состоянии. Показатели устойчивости горных пород вокруг работки принимаются в зависимости от трещиноватости массива. Если на плос-сти забоя прослеживается несколько систем трещин, их количество определяется а горизонтальных и вертикальных отрезках длиной до 3 м на трех различных уча-ках.

За критерий устойчивости горных пород принимается размер зоны неупру; деформаций законтурного массива, который колеблется от 0,3-0,6 м и более, а кже зависит от коэффициентов, учитывающих крепость горных пород и сечение фаботки. Конструкция крепи характеризуется ее рангом, равным отношению мера зоны неупругих деформаций к 0,3 (от 0 до 12, где 0 — без крепления, 1-8 торкретбетон, штанговая крепь, монолитный бетон и др., 9-12 — железобетон-крепь) (разработано совместно с ВостНИГРИ).

Разработана методика расчета анкерной крепи в ослабленных зонах в масси-, которая включает определение длины и диаметра штанг, высоты свода обруше-/, параметров расположения анкеров под различными углами и веса горных под, приходящегося на одну штангу, в породной и рудной частях.

Разработаны способы крепления нарушенной крепи в откаточных и нарез-IX выработках, которые включают использование анкеров, стальной арматуры, тки, торкретбетона, СВП-17 и др. и позволили повысить безопасность проходче-их работ (рис. 8).

Разработаны способы снижения удароопасности в горных выработка включающие камуфлетное взрывание, щелеобразование в забое и почве выработ (рис. 9) с созданием защитной зоны при различной категории удароопасности.

3№ , ,

I" '"аЧ ^ >-5

Рис. 9. Схема расположения шпуров и скважины в забое выработки. 1-5 — камуф-летные скважины; 6 — измерительная скважина;

Разработана методика определения параметров расположения шпуров, также профилактические мероприятия по снижению удароопасности при прове нии и креплении горных выработок I-III категорий удароопасности. 3kohomi ский эффект от внедрения результатов данных исследований в производство сос вил более 1,7 млн. рублей (в ценах 2008 г.).

Заключение

В диссертации, являющейся научно-квалификационной работой, изложе научно обоснованные технические и технологические решения по повышению фективности и безопасности проведения и крепления подготовительных и нар ных выработок в районах тектонических нарушений в удароопасных зонах, принципе сочетания распределения динамических явлений, категорий устойчи сти и удароопасности горных пород, а также методик их расчета, что имеет су ственное значение для экономики страны.

Основные научные и практические результаты работы заключаютс следующем:

1. Выявлено влияние горных работ на объемы нарушений в подготовите ных и нарезных категорийных выработках при горных ударах, микроударах и то ках. Установлено, что динамические явления различной интенсивности с сейсм ской энергией от 103 до 109 Дж на глубинах от 600 до 900 м и более от земной верхности в геологических зонах приводят к разрушению крепей, кровли и бор выработок, вспучиванию почвы, искривлению рельсовых путей и т.п., при э объем обрушенных горных пород колеблется от 1 до 500 м3 и более.

2Й>

AVv1 AWAJ

2. Выявлено, что удароопасность горных пород в условиях высоких горизон-ьных напряжений на железорудных месторождениях определяется углом пере-

чения выработки тектонических нарушений от 25 до 50°, при I и II категориях ароопасности, до 60-90° при III категории удароопасности.

3. При ведении подготовительных и очистных работ определены активные и ссивные разрывные нарушения, отражающие потенциальную удароопасность. становлен критерий количественной оценки тектонической нарушенности масси-, который зависит от числа разрывных нарушений на определенном исследуемом тервале в выработке.

4. Определена ширина геодинамически опасной зоны, которая зависит от сположения, угла падения и расстояний от висячего и лежачего боков разрывных рушений, а также местоположения динамических явлений. Установлено, что шина тектонически напряженных зон вокруг разрывных нарушений на месторожде-

х колеблется от 5-20 до 65 м и более. В этих условиях установлено распределе-е общего количества динамических явлений по типам горных пород и уровню йсмической энергии. Около 30 и 75 % толчков с энергией от 10 до 105 Дж проходит соответственно в рудном массиве, в т.ч. на контакте руда-порода и в полном массиве; с энергией от 105 до 108 Дж — в рудном массиве от 1 до 30 %, в родном массиве от 75 до 100 %.

5. Разработаны рациональные дифференцированные схемы расположения ризонтальных и наклонных одиночных и сближенных шпуров и скважин разного аметра, оказывающие влияние на качество оформления выработок и темпы про-дки. Даны новые паспорта на проведение откаточных выработок, камер ВДПУ-М, выработок на горизонте подсечного пространства и бурового горизонта в оках. Установлено, что применение глубоких компенсационных скважин увели-нного диаметра при проведении выработок позволяет повысить производитель-сть труда проходчика на 45-65 %. Разработана методика расчета параметров бу-взрывных работ.

6. Разработана методика выбора крепей в удароопасных условиях, вклю-ющая определение критерия устойчивости и категории удароопасности горных род, параметров крепи с учетом сечения выработки, а также ранга вида крепи, едложены способы крепления подготовительных и нарезных категорийных вы-боток в различных горно-геологических условиях, включающие использование епей: торкретбетона, сталеорганной, анкерной крепи с металлической сеткой, П-17, железобетонной и др.

7. Разработаны способы снижения удароопасности горных выработок, вклю-ющие создание защитной зоны с помощью камуфлетного взрывания, разгрузоч-

ных шпуров и скважин, и профилактические мероприятия по повышению безопа ности при проведении и креплении подготовительных и нарезных выработок.

Основные научные и практические результаты диссертации изложены в <

дующих опубликованных работах:

Монографиях

1. Филиппов В. Н. Разработка и оценка эффективности схем взрывания комбини ванных зарядов при обрушении технологических блоков / В кн. «Технология кр номасштабной взрывной отбойки на удароопасных рудных месторождениях Си ри» // С. Д. Викторов, А. А. Еременко, В. М. Закалинский, И. В. Машуков — Новосибирск: Наука, 2005. — С. 127-144.

2. Филиппов В. Н. Разработка и обоснование способов проведения и крепления в работок в массиве горных пород с тектоническими полями напряжений / В «Проведение и крепление горных выработок в удароопасных зонах железорудн месторождений» // А. А. Еременко, А. И. Федоренко, А. И. Копытов — Новосибирск: Наука, 2008. — С. 126-135.

3. Филиппов В. Н. Технология отработки блоков на зажатую среду и компенса онное пространство / В кн. «Совершенствование геотехнологии освоения желе рудных удароопасных месторождений в условиях действия природных и техно ных факторов» // А. А. Еременко, В. А. Еременко, А. П. Гайдин — Новосибир Наука, 2008. —С. 215-234.

4. Филиппов В. Н. Формирование зон концентрации динамических явлений в ус виях очистной выемки рудных тел на удароопасных месторождениях / В кн. «Г но-геологические и геомеханические условия разработки железорудных местор дений в Алтае-Саянской складчатой области» // А. А. Еременко, В. А. Еременко,

A. П. Гайдин — Новосибирск: Наука, 2009. — С. 214-240. Изданиях, рекомендуемых ВАК России:

1. Еременко А. А. Опыт проведения мощного массового взрыва в условиях высо го горного давления на Шерегешевском месторождении [текст] / А. А. Ереме

B. А. Еременко, И. В. Машуков, П. А. Филиппов, А. П. Гайдин, В. Н. Филиппо ГЙАБ, М.: МГГУ. — 2002. — № 1. — С. 92-94.

2. Еременко А. А. Опыт обрушения технологического блока на участке местор дения, опасного по горным ударам [текст] / А. А. Еременко, В. А. Еременко,

В. Я. Келлер, В. Н. Филиппов, А. В. Пестерев, Е. А. Белоусов // Сб.: «Физичес проблемы разрушения горных пород» — М.: ИПКОН РАН, 2005. — С. 230-232.

Еременко А. А. Создание автоматизированной системы непрерывного контроля пряженного состояния массива горных пород и прогноза динамических явлений Таштагольском и Шерегешевском месторождениях [текст] / А. А. Еременко, . А. Еременко, В. А. Штирц, В. Н. Филиппов, И. Л. Громова, В. В. Пивень // АБ, М.: МГГУ. — 2005. — № 8. — С. 113-118.

Еременко А. А. Особенности разработки рудных залежей Шерегешевского ме-орождения [текст] / А. А. Еременко, В. А. Еременко, Г. Г. Монингер, Н. Филиппов, Ю. П. Серов, А. В. Пестерев, И. Л. Громова // Горный журнал. — 07,—№ 1. —С. 29-32.

Еременко А. А. Контроль геомеханического состояния геологической среды при аботке Шерегешевского месторождения [текст] /А.А. Еременко, В. А. Еременко, Н. Филиппов, С. А. Корочкин, И. Л. Громова // ГИАБ, М.: МГГУ. — 2007. — № . — С. 96-100.

Еременко А. А. Геомеханический анализ напряженного состояния массива гор-IX пород при отработке блока на Таштагольском месторождении [текст] / А. Еременко, А. Н. Карпунин, О. В. Шипеев, В. Н. Филиппов, И. Л. Громова // АБ, М.: МГГУ. — 2008. — № 9. — С. 133-138. центах

Патент РФ № 2182663. Способ разработки мощных месторождений в неустойчи-м горном массиве / А. А. Еременко, В. В. Петин, В. Н. Власов, В. В. Дорогунцов, П. Гайдин, В. Н. Филиппов, Б. 3. Рубежов. — опубл. БИ. № 24 — 2002. рочих изданиях

Еременко А. А. Отработка блока-целика в условиях напряженно-формированного состояния массива горных пород [текст] / А. А. Еременко, А. Еременко, В. В. Дорогунцов, В. Н. Филиппов // Труды научно-практической нф. «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых. — восибирск. — 2001. — С. 115-120.

Филиппов П. А. Совершенствование технологии отработки Шерегешевского же-орудного месторождения [текст] / П. А. Филиппов, Л. М. Цинкер, А. П. Гайдин, И. Копытов, В. Л. Меер, В. С. Холкин, В. Н. Филиппов // Научный и техниче-й прогресс — основа развития Шерегешского рудника. — Кемерово: СИНТО, 02. — С. 80-84.

Волченко Г. Н. Новое техническое решение в технологии отбойки железных руд ковыми скважинными зарядами ВВ в условиях повышенного горного давления кст] / Г. Н. Волченко, Н. Г. Волченко, В. М. Серяков, П. А. Филиппов,

В. Н. Филиппов, Е. Б. Плеханов // Научный и технический прогресс — основа ра вития Шерегешского рудника. — Кемерово: СИНТО, 2002. — С. 143-146.

4. Eremenko A. A. Investigation into the Zones of Increased Seismic Activity in Order Estimate and Control the Rick of Mining in Iron-ore Deposits of Siberia [text]

A. A. Eremenko, V. A. Eremenko, E. V. Potapov, G. V. Gol'tsov, V. N. Filippov // T 6th International symposium on rock burst and seism city in mines proceedings (RaSim "Controlling seismic Rick", Perth, AUSTRALIA. 9-11.03.2005, p. 469-477.

5. Еременко А. А. Проведение и крепление выработок на железорудных месторо дениях, опасных по горным ударам [text] / А. А. Еременко, В. А. Еременко,

B. Н. Филиппов, В. В. Дорогунцов, Е. А. Белоусов, А. И. Федоренко // Труды нау но-практической конф. «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезн ископаемых». — Новосибирск. — 2005. — С. 77-81.

6. Курленя М. В. Методические указания по совершенствованию технологическ процессов в системах разработки с массовым обрушением руды и вмещающих п род [текст] / М. В. Курленя, А. А. Еременко, Ю. А. Рыжков, В. А. Еременко,

В. Н. Филиппов и др. — Кемерово: КузГТУ. — 2005. — 19 с.

7. Еременко А. А. Оценка степени удароопасности массива горных пород на Ше гешевском месторождении [текст] / А. А. Еременко, В. А. Еременко,

В. Н. Колтышев, В. Н. Филиппов, И. Л. Громова, Е. А. Белоусов // Сб.: «Геоди мика и напряженное состояние недр Земли». — Новосибирск: ИГД СО РАН. 2006. —С. 506-513.

8. Еременко В. А. Влияние масштаба горных работ на напряжен деформированное состояние массива и интенсивность динамических явлен [текст] / В. А. Еременко, А. А. Еременко, В. Н. Филиппов, А. Н. Карпунин,

И. Л. Громова, В. А. Штирц // Труды конференции «Геодинамика и напряжен состояние недр Земли» — Новосибирск, ИГД СО РАН, 1-5 октября 2007 г. — Новосибирск: ИГД СО РАН. — 2007. — С. 524-532.

9. Eremenko A. Technological Problems of Iron Ore Mining in Siberia [text A. Eremenko, V. Eremenko S. Viktorov, V. Konyakhin, Ya. Baiborodov, V. Filipp A. Pesterev // Proceedings of the 6th International Conference on Physical Problems Rock Destruction. China, 2009. — P. 270-273.

10. Eremenko A. Experience of localization and prevention of Rockbursts in Und ground Iron-ore Mining in Gornaya Shoria [text] / A. Eremenko, V. Seryak V. Eremenko, G. Moninger, V. Filippov, I. Gromova // Seventh International Symposi on Rockburst and Seismicity in Mines Proceedings. — 21-23 August 2009, China. — 433-439.

Подписано к печати 11.05.2011. Формат 60x84/16 Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 21

Институт горного дела СО РАН Красный проспект, 54, Новосибирск, 630091

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Филиппов, Владимир Николаевич

Введение

1. Состояние вопроса

1.1. Геологические, горнотехнические и геомеханические условия отработки железорудных месторождений в Горной Шории

1.2. Общие представления о механизме формирования горных ударов

1.3. Оценка состояния массива горных пород,

1.4. Способы приведения массива горных пород в неудароопасное состояние

1.5. Опыт проведения и крепления выработок на рудных месторождениях в сложных горно-геологических условиях

1.6. Цели, задачи и методы исследований

2. Исследование влияния горных работ на состояние выработок при динамических явлениях в различных горно-геологических условиях '

2.1. Оценка состояния горных выработок при ударах горно-тектонического типа '

2.2. Исследование состояния горных выработок при микроударах

2.3. Исследование влияния толчков на состояние горных выработок

2.4. Влияние угла встречи выработок с тектоническими нарушениями на удароопасность горных пород ' ''

2.5. Выводы

3. Исследование напряженно-деформированного состояния массива горных пород при проведении и креплении выработок в зонах тектонических нарушений

3.1. Методика исследований

3.2. Исследование влияния тектонических нарушений на состояние горных пород

3.3. Оценка состояния массива горных пород электрометрическим методом при проведении выработок, осложненных геологическими структурами

3.4. Оценка состояния массива в районе горных выработок по наблюдениям за развитием деформационных процессов

3.5. Оценка состояния массива горных пород при креплении выработок методом кернового бурения

3.6. Выводы 111 4. Совершенствование способов проведения, крепления подготовительных и нарезных выработок и снижения удароопасности на месторождениях, склонный и опасных по горным ударам

4.1. Проведение откаточных выработок

4.2. Проведение камер под вибрационно-доставочные установки ВДПУ-4ТМ '

4.3. Проведение выработок для создания подсечного пространства в блоке

4.4. Технология проведения выработок на буровом горизонте в блоке 124 А.5. Выбор способов крепления подготовительных и нарезных выработок

4.6. Особенности крепления выработок трубчатыми анкерами взрывного закрепления

4.7. Разработка способов снижения удароопасности в горных выработках

4.8. Профилактические мероприятия по снижению удароопасности при проведении и креплении горных выработок

4.9. Выводы 163 Заключение 165 Литература 167 Приложение

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Повышение эффективности проведения и крепления подготовительных и нарезных выработок в зонах тектонических нарушений на железорудных месторождениях"

Актуальность темы. Железорудные месторождения Горной Шории разрабатываются на больших глубинах, в прочных и сильно нарушенных породах. При этом большой объем горных выработок проходится в зонах геологических нарушений на удароопасных участках. На состояние массива горных пород в районе выработок оказывают большое влияние, кроме напряжений, объема выработанного очистного пространства и т.п., также наличие зон тектонических нарушений, где в выработках различного назначения наблюдается обрушение горных пород, вспучивание почвы, искривление железнодорожных путей при толчках, микроударах, ударах и ударах горнотектонического типа. В связи с этим задача проведения и крепления выработок в зонах тектонических нарушений, даек, контактов руд и пород в условиях отработки удароопасных месторождений при высоких горизонтальных напряжениях в массиве актуальна и имеет важное научное и практическое значение.

Цель работы — повышение эффективности и безопасности проведения и крепления подготовительных и нарезных выработок в зонах тектонических нарушений в удароопасных условиях железорудных месторождений.

Идея работы состоит в использовании закономерностей распределения динамических явлений различной интенсивности в геодинамически опасных зонах в районах разрывных нарушений для повышения эффективности и безопасности проведения и крепления подготовительных и нарезных выработок.

Задачи исследований: определить влияние горных работ на состояние подготовительных и нарезных выработок при сильных динамических явлениях в различных горно-геологических условиях; установить закономерности распределения динамических явлений в зонах разрывных нарушений при различных категориях удароопасности горных пород; разработать и обосновать эффективные способы проведения, крепления выработок и снижения удароопасности в зонах тектонических нарушений на опасных и склонных к горным ударам железорудных месторождениях и разработать методики расчета параметров буровзрывных работ и выбора вида крепи.

Методы исследований включают научное обобщение и анализ экспериментальных данных, полученных с использованием геофизических методов контроля состояния массива горных пород, статистической обработкой натурных наблюдений, промышленные эксперименты.

Основные научные положения, защищаемые автором: проведение и крепление подготовительных и нарезных выработок в удароопасных районах определяется углом пересечения выработки тектонических нарушений от 25 до 50° при I и II категориях удароопасности, до 6090° при III категории удароопасности, и шириной геодинамически опасной зоны, которая зависит от расположения, угла падения и расстояния от лежачего и висячего боков разрывных нарушений, а также местоположения динамических явлений;

- повышение безопасности и эффективности проведения и снижения удароопасности в категорийных выработках в зонах тектонических нарушений достигается путем применения схем дифференцированного расположения горизонтальных и наклонных одиночных и сближенных шпуров и скважин различного диаметра; повышение устойчивости подготовительных и нарезных выработок в геодинамически опасных зонах достигается за счет применения крепления и определяется сочетанием категории устойчивости горных пород, изменяющейся от 1 (весьма устойчивые) до 5 (весьма неустойчивые), и ранга крепи от 0 (без крепления) до 12 (железобетонная крепь).

Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается многочисленными и длительными измерениями (более 10 лет) в натурных условиях поведения массива горных пород в различных горно-геологических условиях; сопоставимостью данных аналитических расчетов с данными, полученными экспериментальными методами и по визуальным наблюдениям за состоянием горных выработок.

Новизна научных положений: выявлено влияние горных работ на объемы нарушений в подготовительных и нарезных выработках с 1-Ш категориями удароопасности при горных ударах, микроударах и толчках; установлено, что расположение подготовительных и нарезных выработок в удароопасных районах в' шахтном поле зависит от ширины геоди-намически опасной зоны от разрывных нарушений; выявлено влияние рациональных схем дифференцированного расположения горизонтальных и наклонных одиночных и сближенных шпуров и скважин разного диаметра в массиве в зонах разрывных нарушений на качество оформления выработок и перемещение опорного давления вглубь массива горных пород; установлено, что протяженность геодинамически опасной зоны в массиве горных пород от разрывных нарушений находится в параболической зависимости от величины амплитуды смещения висячего и лежачего боков нарушений;

Личный вклад автора состоит в: оценке состояния нарезных и подготовительных горных выработок при динамических явлениях; выявлении основных закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород в зонах тектонических нарушений, влиянии очистных работ на состояние выработок при динамических явлениях; разработке и обосновании рациональных способов проведения, крепления выработок и снижения удароопасности в условиях месторождений Горной Шории.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработаны новые рациональные способы проведения, крепления выработок и снижения удароопасности, методики расчета параметров буровзрывных работ и выбора вида крепи, обеспечивающие безопасность и эффективность проходческих работ в условиях разрывных нарушений на железорудных месторождениях. Реализация работы в промышленности

Диссертация выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИГД СО РАН и ОАО «ВостНИГРИ», в рамках научной школы академика РАН М. В. Курлени (НШ №№ 2273.2003.5; i

5974.2006.5; 1534.2008.5, 3556.2010.5) и при финансовой поддержке РФФИ (проекты Ms 02-05-64240; 01-05-79010к; 02-05-79183; 04-05-7902). Научные результаты и практические рекомендации по разработке и реализации способов проведения и крепления выработок в районах тектонических нарушений в удароопасных условиях внедрены на месторождениях ОАО «Евразруда». Экономический эффект составил более 1,7 млн руб. (в ценах 2008 года). Апробация работы , :

Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались на Международной научной конференции «Геодинаt мика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск, 2005, 2009 гг.); на

The 6th International symposium on rock burst and seism city in mines proceedings i i

RaSim6) «Controlling seismic Rick», (Perth, AUSTRALIA, 2005); «Неделя горняка» (Москва, 2002, 2005, 2007, 2008); the 6th International Conference on i

Physical Problems of Rock Destruction (China, 2009); Seventh International Sym

• i posium on Rockburst and Seismicity in Mines Proceedings (China, 2009); на научно-технических конференциях ОАО «Евразруда» (г. Новокузнецк, 20022010 гг.)

Публикации ,

Основные положения диссертации опубликованы в 21 работе, в том числе в 4 монографиях, 16 статьях,, 1 патенте РФ. Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из 4 глав, введения и заключения, изложенных на 166 страницах машинописного текста, содержит 78 рисунков, 40 таблиц, список литературы из 107 наименований и 5 приложений.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д.т.н., проф. Еременко А. А., сотрудникам лаборатории физико-технических геотехнологий ИГД СО РАН за ценные замечания при выполнении и обсуждении результатов исследований, а также сотрудникам лаборатории проведения и крепления горных выработок ВостНИГРИ, работникам ГорноШорского и Таштагольского филиалов ОАО «Евразруда», службам ППГУ рудников за советы и помощь, оказанную при выполнении исследований.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Филиппов, Владимир Николаевич

4.9. Выводы

1. Разработаны рациональные схемы расположения горизонтальных и наклонных одиночных и сближенцых шпуров и скважин разного диаметра, оказывающие влияние на качество оформления выработок, темпы их проходки. Даны новые паспорта на проведение откаточных выработок, камер ВДПУ-4ТМ, выработок на горизонте подсечного пространства и бурового горизонта в блоках. Установлено, .что применение глубоких компенсационных скважин увеличенного диаметра при проведении выработок позволяет повысить производительность труда проходчика на 45-68% и величину под-вигания забоя за цикл в 1,7 раза.

2. Разработана методика выбора крепей в удароопасных условиях, включающая определение критерия устойчивости и крепости горных пород, параметров крепи с учетом сечения выработки, а также ранга типа крепи.

3. Предложены способы крепления подготовительных и нарезных выработок в различных горно-геологических условиях, включающих использование податливой железобетонной' крепи в ортах в районе ВДПУ-4ТМ, торкретбетона, сталеорганной, анкерной крепей и трубчатых анкеров взрывного закрепления свода выработок. 1

4. Разработаны способы снижения удароопасности горных выработок и I профилактические мероприятия по повышению безопасности при проведении и креплении подготовительных и нарезных выработок.

Заключение

В диссертации, являющейся научно-квалификационной работой, изложены научно обоснованные технические и технологические решения по повышению эффективности и безопасности проведения и крепления подготовительных и нарезных выработок в районах тектонических нарушений в уда-роопасных зонах, на принципе сочетания распределения динамических явлений, категорий устойчивости и удароопасности горных пород, а также методик их расчета, что имеет существенное значение для экономики страны.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Выявлено влияние горных работ на объемы нарушений в подготовительных и нарезных категорийных выработках при горных ударах, микроударах и толчках. Установлено, что динамические явления различной интен

•з П сивности с сейсмической энергией от 10 до 10 Дж на глубинах от 600 до 900 м и более от земной поверхности в геологических зонах приводят к разрушению крепей, кровли и бортов выработок, вспучиванию почвы, искривлению рельсовых путей и т.п., при этом объем обрушенных горных пород колеблется от 1 до 500 м и более.

2. Выявлено, что удароопасность горных пород в условиях высоких горизонтальных напряжений на железорудных месторождениях определяется углом пересечения выработки тектонических нарушений от 25 до 50°, при I и II категориях удароопасности, до 60-90° при III категории удароопасности.

3. При ведении подготовительных и очистных работ определены активные и пассивные разрывные нарушения, отражающие потенциальную удароопасность. Установлен критерий количественной оценки тектонической нарушенности массива, который зависит от числа разрывных нарушеI ний на определенном исследуемом интервале в выработке.

4. Определена ширина геодинамически опасной зоны, которая зависит I от расположения, угла падения и расстояний от висячего и лежачего боков разрывных нарушений, а также местоположения динамических явлений. Установлено, что ширина тектониче'ски напряженных зон вокруг разрывных нарушений на месторождениях колеблется от 5-20 до 65 м и более. В этих условиях установлено распределение общего количества динамических явлений по типам горных пород и уровню сейсмической энергии. Около 30 и 75% толчков с энергией от 10 до 105 Дж происходит соответственно в рудном массиве, в т.ч. на контакте руда-порода и в породном массиве; с энергией от с о

10 до 10 Дж — в рудном массиве от 1 до 30%, в породном массиве от 75 до 100%.

5. Разработаны рациональные дифференцированные схемы расположения горизонтальных и наклонных одиночных и сближенных шпуров и скважин разного диаметра, оказывающие влияние на качество оформления выработок и темпы проходки. Даны новые паспорта на проведение откаточных выработок, камер ВДПУ-4ТМ, выработок на горизонте подсечного пространства и бурового горизонта в блоках. Установлено, что применение глубоких компенсационных скважин увеличенного диаметра при проведении выработок позволяет повысить производительность труда проходчика на 45-65 %.

Разработана методика расчета параметров буровзрывных работ.

6. Разработана методика выбора крепей в удароопасных условиях, включающая определение критерия устойчивости и категории удароопасно-сти горных пород, параметров крепи с учетом сечения выработки, а также ранга вида крепи. Предложены способы крепления подготовительных и нарезных категорийных выработок в различных горно-геологических условиях, I включающие использование крепей: торкретбетона, сталеорганной, анкерной крепи с металлической сеткой, СВП-17, железобетонной и др.

7. Разработаны способы снижения удароопасности горных выработок, включающие создание защитной зоны с помощью камуфлетного взрывания, з разгрузочных шпуров и скважин, и профилактические мероприятия по повышению безопасности при проведении и креплении подготовительных и нарезных выработок.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Филиппов, Владимир Николаевич, Новосибирск

1. Студеникин В. П. Разрывные нарушения Кузнецкого Алатау // Вопросы тектоники Алтае-Саянской горной области. - Новокузнецк, 1971. - С. 107114.

2. Язбутис Э. А. Таштагольско-Кочуринское рудное поле // Железорудные месторождения Алтае-Саянской горной области. Т.1, Кн. 2: Описание месторождения. М.: АН СССР, 1959. - С. 281-306.

3. Рудные месторождения СССР. 2-е изд., перераб. и доп. Т. 1. - М.: Недра, 1978. - 52 с.

4. Ашурков В. А. Глубинные разломы Горной Шории по геофизическим данным // Вопросы тектоники Алтае-Саянской горной области (Материалы научно-технической конференции). Новокузнецк, 1971, с. 29-40.

5. Студеникин В. П. Разрывные нарушения Кузнецкого Алатау // Вопросы тектоники Алтае-Саянской горной области (Материалы научно-технической конференции). Новокузнецк, 197 х', с. 167-171.

6. Кузнецов В. А. Геотектоническое районирование Алтае-Саянской складчатой области // Вопросы геологии Азии, т. 1. М.: АН СССР, 1954.

7. Кузнецов В. А. Тектоническое районирование и основные черты эндогенной металлогении Горного Алтая // Вопросы геологии и металлогении Горного Алтая. Тр. ИГГ СО АН СССР, вып. 13, 1963.

8. Тектоника и глубинное строение Алтае-Саянской складчатой области /

9. Сурков В. е., Жеро О. Г., Уманцев Д. Ф. и др. М.: Недра, 1973. - 14 с.

10. Явление пульсационного горизонтального напряжения в горных породах и рудах эксплуатируемых железорудных месторождений юга Сибири./ А. Н. Кононов, Б. В. Шрепп, О. А.Кононов и др. // Горн, журнал. — № 8. — 1995. —С. 9-11.

11. Напряженно-деформированное состояние массива в зоне очистной выемки / Б. В. Шрепп, А. В. Мозолев, В. И. Бояркин и др. // Горн, журнал. — 1979.—№ 12. —С. 41-43.

12. Совершенствование скважинной отбойки / А. В. Будько, В. М. Закалинский, С. К. Рубцов, А. А. Еременко и др. М.: Недра, 1981.

13. Опыт ведения Сибирской технологии добычи руды // Н. Г. Дубынин, В. Н. Власов, В. А. Коваленко и др! // Горн. журн. •— 1975. — № 12. — С. 2122.

14. Опыт отработки разрезного блока в условиях напряженно-деформированного состояния массива // В. С. Лялько, В. М. Кирпиченко, А. А. Еременко // Горн. журн. — 1987. — № 1. — С. 40-42.

15. Комплексная механизация и автоматизация горных работ в железорудных шахтах / Г. М. Бурмин, А. В. Мозолев, К.А.Кристин и др. М.: Недра, 1978.-с. 130.

16. Эффективность применения рациональных схем расположения групп параллельно сближенных скважинных зарядов ВВ / А. Е. Умнов, А. А. Еременко, И. 3. Сальников и др. // Горн, журнал. — 1978. — N 8. С. 36-38.

17. Еременко А. А. Геомеханическое обоснование разработки рудных месторождений на больших глубинах в регионе повышенной сейсмической активности. Автореф. дис. докт. техн. наук. Новосибирск, 1995, 42 с.

18. Указания по безопасному ведению горных работ на месторождениях Горной Шории, склонных к горным ударам / ВостНИГРИ, ВНИМИ. Новокузнецк, 1991. - 90 с.

19. Бояркин В. И. Измерение состояния пород массива с изменением глубины работ. Автореф.дисс. канд. техн. наук. Новокузнецк, СМИ, 1973, 29 с.

20. Шемякин Е. И., Курленя М. В., Кулаков Г. И. К вопросу о классификации горных ударов. ФТПРПИ, 1986. № 5. - с. 3-11.

21. Петухов И. М., Линьков А. М. Механика горных ударов и выбросов. -М.: Недра, 1983. 279 с.

22. Петухов И.М., Егоров П.В. Винокур Б.Ш. Предотвращение горных ударов на рудниках. М.: Недра, 1984.

23. Авершин С.Г. Об условиях возникновения горных ударов и о задачах их исследования. Л.: ВНИМИ, 1962.

24. Петухов И.М., Латвии В.А., Кучерский Л.В. и др. Горные удары и борьба с ними. Пермское книжное изд-во, 1989. - с. 28-112.

25. Кузнецов С. В., Одинцев В. Н., Слоним М. Э., Трофимов В. А. Методология расчета горного давления. — М.: Наука, 1981. — 104 с.

26. Квапил Р. Новые взгляды в теории горного давления и горных ударов. -Углетехиздат, М., 1959. с. 19-23.

27. Айзаксон Э. Давление горных пород в шахтах. Госгортехиздат, М., 1961.-е. 121-140.

28. Горные удары на рудных месторождениях и методы их прогнозирования / Я. Я. Бич, Ю. Я. Минин, Л. С. Устрайх // ГЖ, 1971. № 1. - с. 65-68.

29. Методы прогноза горных ударов на Таштагольском руднике и пути их совершенствования / П. Т. Гайдин, М. Ф. Петухов, В. М. Кирпиченко и др. // Горн, журнал, 1985. № 7. - с. 57-60. ,

30. Матарадзе Э.Д. О механизме взаимосвязи между землетрясениями и горными ударами. ФТПРПИ, 1980. - № 1. - с. 100- 111.

31. Горные удары и особенности их проявления на рудниках Горной Шо-рии / П. В. Егоров, Л. М. Лазаревич, П. Т. Гайдин и др. ГЖ, 1977. - № 8. - с. 61-63.

32. Проблемы горных ударов при строительстве и эксплуатации шахт Се-веро-Уральских бокситовых месторождений / В.Г.Сафронов, Б.Ш.Винокур, Ф.Л.Гаврилов. ГЖ, 1977. - № 9. - с. 64- 66.

33. Сашурин А. Д. Геомеханические модели и методы расчета сдвижения горных пород при разработке месторождений в скальных массивах / Докт. дисс., Екатеринбург, 1995, 357 с.

34. Кузнецов М. А., Акимов А. Г., Кузьмин В. М. и др. Сдвижение горных пород на рудных месторождениях, М.: Недра, 1971, 224 с.

35. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на месторождениях руд черных металлов Урала и

36. Казахстана: Утв. Минмет СССР 02.08.90. — Свердловск: ИГД Минмета СССР. — 1990. —64 с.

37. Методические указания по наблюдениям за сдвижением горных пород и за подрабатываемыми сооружениями. Л.: ВНИМИ. — 1986. — 178 с.

38. Временные правила охраны сооружений от влияния подземных горных разработок на железорудных месторождениях Горной Шории. — Новокузнецк, 1974, 45 с.

39. Указания по охране сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на железорудных месторождениях НПО "Сибруда". — Новокузнецк, 1991, 57 с.

40. Авершин С. Г. Сдвижение горных пород при подземных разработках. М.: Углетехиздат, 1947. — 245 с.

41. Бахурин И. М. Состояние изученности сдвижения горных пород под влиянием подземных выработок // Труды совещания по управлению горным давлением. — М. -Л.: Изд. АН СССР, 1938. с. 67-102.

42. Казаковский Д. А. Сдвижение земной поверхности под влиянием горных разработок. — М.- Харьков: Углетехиздат, 1953. — 228 с.

43. Авершин С. Г. О некоторых физико-механических процессах, соответствующих землетрясениям. В кн.: Некоторые прикладные задачи механики горных пород. Фрунзе: Илим, 1971, с. 5-30.

44. Исследование взаимосвязи процессов сдвижения горных пород с возникновением горных ударов на Таштагольском руднике / В. А. Квочин, Б. В. Шрепп, В. И. Бояркин и др. // Горн. журн. — 1981. — № 12, — с. 45-48.

45. Сашурин А. Д. Особенности'сдвижения горных пород в условиях тектонических полей напряжений железорудных месторождений // Горн. журн. — 1980. — № 4. — с. 47-49.

46. Ренев А. А. Предупреждение горных ударов при разработке крутопадающих урановых месторождений. Дисс. на соискание уч. степени докт. техн. наук. Кемерово: КузГТУ, 1996. — 360 с.

47. Петухов И. М., Запрягаев А. П. Определение напряжений в массиве пород по делению керна на диски и выходу буровой мелочи при бурении скважин // Сб. ВНИМИ, № 96, 1975, с. 126.

48. Исаев А. В. Разработка метода оценки напряженного состояния ударо-опасных пород по дискованию керйа и выходу буровой мелочи. Автореферат канд. дис. Л.: изд-во СНИМИ, 1983, 17 с.

49. Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, склонных к горным ударам. Л., 1980. 149 с.

50. Фатхи В. А. Исследование и разработка экспресс-метода прогноза степени удароопасности пород но вибросейсмическому параметру при бурении. Автореф. дис.канд. техн. наук. Л.: ВНИМИ, 1985.

51. Геодинамическое районирование недр, Методические указания. Л., 1990, 129 с.

52. Методические указания по профилактике горных ударов с учетом геодинамики месторождений. — Л., ВНИМИ, 1983, 118 с.

53. Петухов И. М., Егоров П. В., Шаталов В. С. О предотвращении горных ударов на глубоких рудниках СССР // Безопасность труда в промышленности. 1971, N 10, с. 5-7.

54. Опарин В. Н., Аннин Б. Д., Чугуй Ю. В. И др. Методы и измерительные приборы для моделирования и натурных исследований нелинейных деформационно-волновых процессов в блочных массовых горных пород. — Новосибирск: изд-во СО РАН, 2007. — С. 17-39.

55. Опарин В. Н., Сашурин А. Д., Кулаков Г. И. и др. Современная геодинамика массива горных пород верхней части литосферы: истоки, параметры,воздействие на объекты недропользования. — Новосибирск: изд-во СО РАН, 2008. —С. 13-70.

56. Опарин В. Н. Зональная дезинтеграция горных пород и устойчивость подземных выработок. — Новосибирск: изд-во СО РАН, 2008. — 278 с.

57. Петухов И. М., Егоров П. В., Винокур Б. Ш. Предотвращение горных ударов на рудниках. М.: Недра, 1984.

58. Смирняков В. В., Вихарев В. И., Очкуров В. И. Технология строительства горных предприятий. М: Недра, 1989.

59. Инфантьев А. Н. Вскрытие и подготовка мощных рудных месторождений. М: Недра, 1978.

60. Бидзинашвили Е. А., Щербаков В. Е. Справочник горного мастера. -Донецк: Донбасс, 1986.

61. Фролов В. П. Строительстве и реконструкция подземных рудников. -М: Недра, 1988.

62. Авершин С. Г. Горное давление в одиночных подземных выработках. -Фрунзе, 1976.

63. Козел А. М., Борисовец В. А., Репко А. А. Горное давление и способы поддержания вертикальных стволов. М: Недра, 1978.

64. Динник А. Н. О давлении горных пород и расчете крепи круглой шахты. Инженерный работник, 1925, № 7.

65. Динник А. Н. Статьи по горному делу. М: Углетехиздат, 1957.

66. Протодьяконов М. М. Давление горных пород и рудничное крепление. -Новосибирск, 1933.

67. Ветров С. В. Допустимые обнажения горных пород при подземной разработке руд. Л: Наука, 1975. ' 1

68. Кацауров И. Н. Горное давление в вертикальных стволах. М: Госгор-техиздат, 1961.

69. Айзаксон Э. Давление горных пород в шахтах. М: Госгортехиздат, 1961.1

70. Марков Г. А., Савченко С. Н. Напряженное состояние пород и горное давление в структурах гористого рельефа. JI: Наука, 1984.

71. В лох Н. П. Управление горным давлением на подземных рудниках. -М: Недра, 1994.

72. Разработка технологии проведения горных выработок в удароопасных условиях с предварительным разупрочнением массива. Отчет НИР № гос. per. 0188002348, ВостНИГРИ, 1989.

73. Временные правила охраны сооружений от влияния подземных горных выработок на железорудных месторождениях Горной Шории. Новокузнецк, 1974.-45 с.

74. Егоров П. В., Петров А. И., Егошин В. В. Предупреждение горных ударов на шахтах Кузбасса. Кемерово, 1987. - 144 с.

75. Максимов А. П. Горное давление и крепь выработок. М.: Недра, 1973. -288 с.

76. Слесарев В. Д. Механика горных пород и рудничное крепление М.: Уг-летехиздат, 1948. 378 с.

77. Лабасс А. Давление горных пород в угольных шахтах. Вопросы теории горного давления. Сб. переводов. М.: Госгортехиздат, 1961. 300 с.

78. Руппенейт К. В. Некоторые вопросы механики горных пород. М.: Угле-техиздат. 1954.

79. Указания по безопасному ведению горных работ на месторождениях Горной Шории, опасных и склонных к горным ударам. — Новокузнецк: ВостНИГРИ, 2003. — 60 с.

80. Еременко А. А., Еременко В'. А., Гайдин А. П. Горно-геологические и геомеханические условия разработки железорудных месторождений в Алтае-Саянской складчатой области. — Новосибирск: Наука, 2009. — 260 с.

81. A. И. Копытов — Новосибирск: Наука, 2008. — С. 126-135.

82. Еременко А. А. Проведение и крепление выработок на железорудных месторождениях, опасных по горным ударам / А. А. Еременко,

83. B. А. Еременко, В. Н. Филиппов, В. В. Дорогунцов, Е. А. Белоусов, А. И. Федоренко // Труды научно-практической конф. «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых». — Новосибирск. — 2005. — С. 77-81.

84. Еременко А. А., Еременко В. А., Машуков И. В., Филиппов П. А., Гай-дин А. П., Филиппов В. Н. Опыт проведения мощного массового взрыва в условиях высокого горного давления на Шерегешевском месторождении // ГИАБ, М.: МГГУ. — 2002. — № 1. — С. 92-94.

85. Еременко А. А., Еременко В. А., Келлер В. Я., Филиппов В. Н. и др. Опыт обрушения технологического блока на участке месторождения, опасного по горным ударам // Сб.: «Физические проблемы разрушения горных пород» — М.: ИПКОН РАН, 2005. — С. 230-232.

86. Еременко А. А., Еременко В. А., Монингер Г. Г., Филиппов В. Н. и др. Особенности разработки рудных залежей Шерегешевского месторождения // Горный журнал. — 2007. — № 1. — С. 29-32.

87. Еременко А. А., Еременко В. А., Филиппов В. Н., Корочкин С. А., Громова И. Л. Контроль геомеханического состояния геологической среды приотработке Шерегешевского месторождения // ГИАБ, М.: МГГУ. — 2007. ■— № 11. —С. 96-100.

88. Еременко А. А., Карпунин А. Н., Шипеев О. В., Филиппов В. Н., Громова И. Л. Геомеханический анализ напряженного состояния массива горных пород при отработке блока на Таштагольском месторождении // ГИАБ, М.: МГГУ. — 2008. — № 9. — С. 133-138.

89. Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях (объектах строительства подземных сооружений), склонных к горным ударам. — Л.: В НИМИ, 1989.

90. Методические указания по определению устойчивости горного массива при проходке горных выработок, выбору вида крепи на месторождениях, склонных по горным ударам и удароопасным в условиях шахт ОАО «Евраз-руда». Новокузнецк: ВостНИГРИ, 2006. — 30 с.

91. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепей. М.: Стройиздат, 1983.

92. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом ПБ 03553-03, М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2003.

93. Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, объектах строительства подземных сооружений, склонных и опасных по горным ударам РД 06-329-99, М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2000.

94. Рекомендации по оценке устойчивости горизонтальных горных выработок и выбору рациональной конструкции крепи на Таштагольском руднике, Новокузнецк, 1995.

95. Инструкция по креплению горных выработок. Новокузнецк: ВостНИГ-РИ, 1979.

96. Методические указания по определению устойчивости горного массива при проходке горных выработок, выбору вида крепи на месторождениях, склонных по горным ударам и удароопасным в условиях шахт ОАО «Евраз-руда». Новокузнецк: ВостНИГРИ, 2006. — 30 с.

97. Практические рекомендации1 по прогнозу удароопасности массива и применению локальных мероприятий по снижению напряженного состояния на стадии подготовки блоков. АО «Сибруда», ВостНИГРИ. — Новокузнецк, 1993. —40 с.

98. Eremenko A. A., Eremenko V. A., Potapov Е. V., Gol'tsov G. V., Filiptpov V. N. Investigation into the Zones of Increased Seismic Activity in Order tojL

99. Estimate and Control the Rick of Mining in Iron-ore Deposits of Siberia // The 6 International symposium on rock burst and seism city in mines proceedings (Ra-Sim6) "Controlling seismic Rick", Perth, AUSTRALIA. 9-11.03.2005, p. 469-477.

100. Eremenko A., Eremenko V., Viktorov S. and etc. Technological Problems ofth1.on Ore Mining in Siberia // Proceedings of the 6 International Conference on Physical Problems of Rock Destruction. China, 2009. — P. 270-273.