Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка метода оценки снижения напряжений в массиве горных пород поверхностно-активным веществом при комбинированной разработке месторождения

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

Автореферат диссертации по теме "Разработка метода оценки снижения напряжений в массиве горных пород поверхностно-активным веществом при комбинированной разработке месторождения"

На правах рукописи

АКОПЯН КАРЕН ЛЕВОНОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ СНИЖЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМ ВЕЩЕСТВОМ ПРИ КОМБИНИРОВАННОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ (на примере медно-никелевого месторождения «Шануч»)

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

АВТОРЕФЕРАТ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

1В ДПР ¿013

МОСКВА 2013 г.

005057464

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Российский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе» на кафедре разработки месторождений стратегических видов минерального сырья и маркшейдерского дела.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Боровков Юрий Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

вед. научный сотрудник

Институт горного дела им.А.А. Скочинского

Норель Бронислав Константинович

кандидат технических наук ОАО «Всеобщий мир» Сальников Вячеслав Леонидович

Ведущая организация: Институт «Гипроцветмет»

Защита диссертации состоится «25» апреля 2013 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.121.08 при Российском государственном геологоразведочном университете по адресу: 117997, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23 (ауд.6-87)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного геологоразведочного университета.

Автореферат разослан «_»_2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Холобаев Е. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В связи с ведением горных работ на больших глубинах, что наблюдается в настоящее время на действующих рудниках, усложняются горно-геологические условия разработки месторождений из-за проявлений горного давления в виде: вывалообразований в выработках, обрушений камер, целиков и, особенно, горного удара. В настоящее время большинство рудных месторождений на глубоких горизонтах испытывают проявления горного давления в виде локальной концентрации напряжений в кровле, стенках камер и целиков, приводящие к их обрушению.

Традиционными методами борьбы с проявлениями горного давления и снятий напряжений (разгрузке) являются: управление обрушением пород, надработка напряженных участков массива руды, применение одностадийной выемки, создание искусственной податливости пород, обеспечение устойчивой формы, крепления и месторасположения вмработок, бурение разгрузочных скважин (щелей) и камуфлетное взрывание. При реализации этих методов отличительной особенностью являются большие затраты труда и времени, а иногда и остановка горных работ, что увеличивает себестоимость добываемого полезного ископаемого.

Одним из перспективных направлений борьбы с проявлениями горного давления является управление свойствами и состоянием пород поверхностно-активными веществами (ПАВ). Эффективность ПАВ как средства воздействия на изменения свойств горных пород доказана, однако, применительно к снятию концентрации напряжений в перенапряженных зонах массива горных пород, они не получили широкого распространения. Это обусловлено тем, что в существующих методах определения оптимальной концентрации ПАВ, насыщения и контроля процесса насыщения породных массивов активными растворами, не учитывается механизм прорастания трещин от соотношения главных напряжений, действующих в массиве горных пород, снижение концентрации напряжений в местах возможного проявления горного давления от количества и состава ПАВ. Поэтому решение задачи по разработке метода прогнозной оценки снижения концентрации напряжений в массиве горных пород ПАВ при комбинированной разработке месторождения в гористой местности является актуальной.

Объект исследований - прогнозная оценка по предотвращению обрушений горных пород на медно-никелевом руднике «Шануч».

Предмет исследования - закономерности воздействия поверхностно-активных веществ на прочностные и деформационные свойства горных пород, что разгружает массив в местах возможного обрушения пород.

Цель работы — разработка метода оценки снижения напряжений в массиве горных пород поверхностно-активным веществом при комбинированной разработке месторождения, что приводит к разгрузке массива горных пород и предотвращает его от обрушения.

Идея работы — снижение величины коэффициента концентрации напряжений в местах возможного обрушения пород достигается путем использования установленных закономерностей воздействия поверхностно-активных веществ на изменения прочностных и деформационных свойств массива горных пород.

Основные задачи исследований:

1 Анализ опыта комбинированной разработки рудных месторождений с применением систем с обрушением руды и вмещающих пород.

2 Оценка существующих методов прогнозирования проявлений горного давления на рудниках, ведущих разработку комбинированным способом.

3 Исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород в прикарьерной зоне.

4 Разработка метода прогнозной оценки снижения концентрации напряжений в массиве горных пород при воздействии на них поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Методы исследований: существующие методики изучения прочностных, свойств трещиноватых горных пород; проведение математического и физического моделирования распределения напряжений в прикарьерном массиве под дном карьера; оценка получаемых результатов с позиций теории вероятностей и математической статистики; аналитические исследования закономерностей на основе фундаментальных законов физики твердого тела

(горных пород).

Защищаемые научные положения:

1. При комбинированной разработке месторождения под дном карьера в гористой местности коэффициент концентрации напряжений в массиве вмещающих пород для условия предельного, устойчивого состояния зависит от прочностных и плотностных свойств массива горных пород, его трещиноватости, нагрузки на подземные горные выработки от снежной рудо-породной подушки при сходе снежной лавины и изменяется от глубины разработки по гиперболическому закону.

2. Величина мощности зоны влияния карьера на окружающий подкарьерный массив, соответствующая предельной глубине пластических деформаций, зависит от углов наклона бортов карьера, коэффициента, учитывающего степень нарушенности массива прикарьерных пород трещинами и коэффициента концентрации напряжений (опорного давления) в массиве и изменяется от среднего расстояния между магистральными трещинами по экспоненциальному закону.

3. Снижение предела прочности пород на одноосное сжатие при полном насыщении массива раствором поверхностно-активного вещества (ПАВ) со временем изменяется по гиперболическому закону и в среднем составляет около 50 % в течение 6-8 суток, а при дальнейшем насыщении породы свыше 8 суток прочность изменяется всего лишь на 17-20%.

Достоверность научных положений, выврдов и результатов работы обеспечивается достаточным объемом экспериментальных исследований с применением физического и математического моделирования по выявлению перенапряженных зон при комбинированной разработке месторождения в гористой местности; удовлетворительным соответствием аналитических расчетов с результатами лабораторных испытаний по насыщению массива растворами ПАВ; хорошей сходимостью данных моделирования с коэффициентом корреляции (0,9), непротиворечивостью полученных результатов фундаментальным данных положениям физики твердого тела (горных пород).

Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:

- установлена взаимосвязь степени нарушенности массива пород трещинами, определяемый коэффициентом Км от периметра выработки по модулю относительной трещиноватости (отношения периметра выработки к среднему расстоянию между магистральными трещинами на обнажении выработки);

- определена зависимость коэффициента концентрации напряжений в массиве вмещающих пород от прочностных и плотностных свойств массива горных пород, его трещиноватости, нагрузки на подземные горные выработки от снежной рудо-породной подушки при сходе снежной лавины, которая от глубины разработки;

- обоснована величина зоны влияния карьера на окружающий прикарьерный массив, изменяющаяся от среднего расстояния между магистральными трещинами по гиперболическому закону;

- доказано, что снижение предела прочности пород на одноосное сжатие при полном насыщении массива раствором поверхностно-активного вещества (ПАВ) со временем изменяется по гиперболическому закону и в среднем составляет около 50 % в течение 6-8 суток.

Практическая значимость работы заключается в разработке методики прогнозной оценки снижения концентрации напряжений в массиве горных пород ПАВ при комбинированной разработке месторождения в гористой местности на примере рудника «Шануч».

Личный вклад автора состоит в: экспериментальных исследованиях по определению физико-механических свойств пород, трещиноватости массива и влияния ПАВ на прочностные и деформационные свойства горных пород; проведении математического и физического моделирования для выявления перенапряженных зон в массиве, приводящих к возможному обрушению пород; получении основных выводов и рекомендаций работы.

Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований будут учтены в проекте ГУП «Сибгипрозолото» и института «Гипроцветмет» по разработке опытно-промышленного участка (ОПУ) медно-никелевого месторождения «Шануч» при выемке подкарьерных запасов подземным способом с применением систем с обрушением, а также при

проведении занятий по курсам «Геомеханика» и «Управление состоянием массива» в разделе «Негативные последствия проявления горного давления на рудных месторождениях».

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на: IX Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» апрель 2009 год, РГГРУ; VI Международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых, 6-9 апреля, М„ 2010; X Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» апрель 2011 год, РГГРУ; VII Международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых», 30 марта-5 апреля 2012; Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в науке о Земле», Начальчик, 2012.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах, из них 2 статьи в ведущем рецензируемом научном журнале, рекомендуемом ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, 16 таблиц и 48 рисунков, список использованной литературы из 118 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ практики применения комбинированной технологии по зарубежным и отечественным рудникам показал, что наибольшее число рудников, осуществляющих комбинированную отработку запасов, приходится на предприятия по разработке руд цветных металлов и алмазов — 60 %; около 16 % предприятий ведут добычу железных руд; более 10 % рудников разрабатывают месторождения нерудного сырья (известняк, строительный камень, асбест, магнезит); 7,4 % предприятий добывают урановые руды. При этом 60—65 % рудников осуществляют добычу подкарьерных запасов, находящихся ниже отметки дна карьера, и 15—18 % предприятий разрабатывают прибортовые запасы. Около 25 % рудников осуществляют добычу удаленных от карьера отдельно залегающих залежей или участков месторождений по независимым от карьера технологическим схемам. Наибольшее распространение получила последовательная открыто-подземная выемка запасов.

Добыча твердых полезных ископаемых комбинированным способом получила широкое распространение на рудниках в России и странах СНГ, особенно на месторождениях цветных металлов. Так, хорошо известен опыт отработки запасов последовательной открыто-подземной геотехнологией на Зыряновском, Лениногорском, Тишинском, Алтын-Топканском, Тырныаузском, Гайском, Вишневогорском и других месторождениях. Весьма большой опыт отработки запасов комбинированным способом как в варианте последовательной открыто-подземной, так и в варианте подземно-открытой геотехнологии накоплен на железорудных месторождениях Урала, Кривбасса, на апатитовых месторождениях Хибин. В последнее время шире стала внедряться комбинированная разработка на урановых месторождениях и месторождениях строительного камня.

Достаточно большой практический опыт отечественных и зарубежных рудников подтверждает возможность выемки руды открытым способом из зоны обрушения или из тех участков, которые ранее отрабатывались подземным способом.

При выемке руды подземным способом подкарьерных запасов изменяется напряженное состояние прикарьерного массива горных пород, которое характеризуется неравномерной концентрацией напряжений в массиве под дном карьера и в краевых зонах его дна концентрация напряжений максимальная, что может привести к обрушению пород и другим проявлениям горного давления.

В связи с тем, что объектом исследования является медно-никелевое месторождение «Шануч», которое по проекту будет отрабатываться комбинированным способом с применением систем с обрушением для выемки подкарьерных запасов нами был поведен анализ месторождений, разрабатываемых комбинированным способом.

Медно-никелевое месторождение Шануч располагается в северо-западной части одноименного рудного поля, локализованного в северной части одноименного же гранито-

гнейсового купола условно палеозойского возраста. Месторождение состоит из нескольких медно-никелевых рудных тел, представленных столбообразными залежами массивных и вкрапленных руд. Залежи приурочены к дайкоподобным габбро-перидотитовым интрузивам субширотного простирания, прорывающим гранито-гнейсы. Промышленное значение с утвержденными запасами имеет только рудная залежь №1, запасы которой утверждены ГКЗ РФ.

На месторождении выделено 4 рудных разновидностей - сплошные (массивные и брекчиевидные), прожилково-гнездовые, вкрапленные, оруденелые вмещающие породы. Преимущественное развитие имеют сплошные руды. Содержание сульфидов в массивных разностях достигает 75-90%; в брекчиевидных - 50-60%; прожилково-гнездовых - 15-40%; вкрапленных - 3-10%.

Вмещающие породы, представленные в основном гранитами и гранодиоритами, отнесены к устойчивым породам. Однако, учитывая наличие тектонических нарушений различных порядков предусматривается использование нескольких типов крепи.

Для изучения физико-механических свойств горных пород равномерно по всей площади контура карьера были отобраны образцы. С каждой разновидности горных пород отбиралось по 2-8 проб. Образцы из скважин отбирались длиной 10 см. Количество образцов в пробе - 8-10. Из канав, штольни и обнажений отбирались керны с дальнейшей разделкой на кубики размером 5x5x5 см. Один образец в пробе парафинировался.

Лабораторные исследования физико-механических свойств горных пород проводились в инженерно-геологической лаборатории Иркутского геологического управления.

Средняя плотность массивных руд составляет 3,89 т/м3, брекчиевидных руд - 3,36 т/м3 прожилково-гнездовых и вкрапленных руд - 3,05 т/м3. Естественная влажность сплошных разновидностей руд (массивных и брекчиевидных) от 0,35 до 2,83% (средняя 1,30%), прожилково-вкрапленных и вкрапленных - от 0,75 до 2,95%. Руды морозостойкие и выдерживают от 15 до 25 циклов замораживание - размораживание.

Коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову: вмещающих пород 6-8, сплошных руд -от 7 до 9. Коэффициент размягчения руд от 0,5 до 0,7 при среднем значении 0,6.

Пористость сплошных руд от 2,3 до 4,0%; средняя - 3,4%. Водопоглощение от 0,5 до 1,1%; среднее 0,8%. Руды слеживающиеся, не налипающие. Сопротивление сжатию руд в сухом состоянии - от 89 до 144 МПа, в водонасыщенном состоянии - от 56 до 94 МПа.

Плотность рудовмещающих пород от 2,57 до 2,90 г/см3, средняя 2,65 г/см3, предел прочности на одноосное сжатие в воздушно-сухом состоянии от 50 до 58 МПа, среднее 54 МПа; в водонасыщенном состоянии - от 44 до 56 МПа, среднее 50 МПа. Угол внутреннего трения пород - 35°. Водопоглощение - 0,8-2,2; среднее 1,3%; пористость от 2,3 до 7,6; средняя - 4,2%.

Руды в связи с низким содержанием серы непожароопасны, а ввиду повышенного содержания свободной кремнекислоты - силикозоопасны.

Рудное тело 1 по результатам разведочных работ не отнесено к опасным по горным ударам. Однако во избежание накопления опасных концентраций напряжений в конструктивных элементах подземных сооружений не желательно оставление в выработанном пространстве какого-либо рода целиков. Сопряжения выработок выполняются под углом не менее 60°.

При разведке и последующей эксплуатации месторождения (рудное тело 1) открытым способом не обнаружено выделений горючих или ядовитых газов.

По опыту эксплуатации месторождения крепость вмещающих пород и руд колеблется в пределах 4-12 (по М.М.Протодьяконову). Величина куска во взрываемой массе составляет от миллиметров до 0,9 м, в среднем - 0,25 м. Плотность пород в массиве колеблется от 2,4 до 2,7, а средняя для руды - 2,55 т/м3, для пород 2,48 т/м3.

Медно-никелевое месторождение «Шануч» было запланировано к отработке комбинированным способом. Запасы верхней части до высотной отметки +450 м отрабатываются карьером по проекту ГУП «Сибгипрозолото», нижняя часть месторождения до отметки +300 м -подземным рудником.

Штольневое вскрытие подкарьерных запасов предопределено гористой местностью района месторождения. Принятая схема вскрытия включает комплекс выработок для вскрытия (гор. +425м, гор.+410м, гор.+350м, гор.+300м), подготовки опытно-промышленного участка (ОПУ) и запасов нижних горизонтов рудника. Местоположение и трассировка выработок

определена согласно горнотехническими условиями и порядком отработки месторождения системой подэтажного обрушения с высотой подэтажей 15 м в нисходящем порядке.

К вскрывающим выработкам также относятся: вентичяг\иото-лифтовый восстающий сечением 7 м2 между горизонтами +300м и +410 м, служит для доставки людей, мелкого оборудования и материалов на горизонты и подэтажи, подачи свежего воздуха, прокладки трубопроводов и кабелей различного назначения.; вентиляционные ходовые восстающие горизонтов сечением 5 м предназначены для подачи свежего воздуха на подэтажи соответствующих горизонтов; наклонный съезд - предусмотрен между горизонтами +425 м и +300 м проходится по спирали сечением 9,6 - 13 м2 и предназначен для вскрытия подэтажей, транспортирования горной массы к рудоспускам, доставки людей грузов и материалов, выдачи исходящей струи.

В связи с тем, что на рассматриваемом объекте исследований месторождении «Шануч» рудное тело имеет крутое падение и выемка его подкарьерных запасов производится подземным способом, то наиболее приемлемой и экономически эффективной является система разработки с подэтажным обрушением руды и вмещающих пород.

Следует так же отметить, что в зимний период отработки запасов подземным способом необходимо оберегать проведение горных работ от схода лавин. Поэтому надо оставлять обрушенные породы над отбитой рудой, чтобы предотвратить попадание снега в горную массу и снизить влияние динамического удара лавины на подземные горные выработки. Но увеличение толщины обрушенных пород увеличивает концентрацию напряжений на контурах подземных выработок и массив горных пород, что может привести к проявлению горного давления (опорного давления на массив) в виде обрушений в своде и стенках горных выработок, а также к горным ударам.

Проблема борьбы с проявлениями горного (опорного) давления, в том числе и горными ударами с увеличением глубины разработки месторождений становится все более актуальной. Такие традиционные методы борьбы с этими проявлениями, как управление обрушением пород, надработка напряженных участков массива руды, применение одностадийной выемки, создание искусственной податливости пород, обеспечение устойчивой формы, крепления и месторасположения выработок, бурение разгрузочных скважин (щелей) и камуфлетное взрывание связаны с большими затратами труда и времени.

Разработка мероприятий по предотвращению этих проявлений, в том числе и горных ударов, ведется преимущественно в двух направлениях - приведение горных пород в неудароопасное состояние и снижение напряжений в приконтурном массиве. Одним из перспективных направлений повышения эффективности данных мероприятий .является направленное изменение свойств и состояния горных пород поверхностно-активными веществами (ПАВ). Их действием на прочностные и деформационные свойства занимались такие ученые как А Д. Алексеев, Г.Я. Воронцов, Ю.В. Горюнов, И И. Круглицкий, Н.Ф. Кусов, О.Г. Латышев, Г.И. Марцикевич, Ф.Д. Овчаренко, И.С. Осипов, Н.В. Перцов, П.А. Ребиндер, В.В. Сынбулатов, Е.Д. Шукин, О.А. Эдельштейн и др

Для решения задачи по разработке метода прогнозной оценки снижения концентрации напряжений ПАВ в массиве горных пород при комбинированной разработке рудного месторождения в гористой местности с учетом применения систем с обрушением и схода снежных лавин в зимнее время на руднике «Шануч» необходимо рассмотреть следующие вопросы:

■ выявить основные формы проявления горного давления и установить влияние их на устойчивость породных обнажений;

■ обосновать взаимосвязь обрушения пород с опорным давлением и определить зоны концентрации напряжений;

■ разработать мероприятия по снижению и предотвращению вредного воздействия опорного давления на массив горных пород

На основании анализа ряда исследователей и натурных наблюдений можно выделить три основные формы потери устойчивости пород:

- вывалообразование под действием собственного веса обрушающихся пород;

- разрушение пород в зонах концентрации напряжений, вызванных весом всей

вышележащей толщи (в том числе - разрушение по поверхностям ослабления);

- чрезмерные смещения обнаженной поверхности без видимого разрушения пород вследствие их пластических деформаций;

- горные удары, возникающие при больших концентрациях напряжений в массиве горных пород.

На склонность пород к вывалообразованию влияет целый ряд факторов, количественные характеристики которых изменяются в широких пределах, вследствие чего их точный учет попросту невозможен. Одним из главных факторов, влияющих на устойчивость, является трещиноватость горных пород, которую учесть в массиве достаточно сложно, поэтому применяют различные экспериментальные способы её оценки.

Для проектирования разработки месторождения необходима геологическая документация, содержащая наибольшее количество геологической информации по разрабатываемому объекту, в том числе и по трещиноватости, которую можно получить по пробуренным геологоразведочным скважинам или замеренным непосредственно в горных выработках. Эта информация необходима, чтобы выбрать метод прогноза склонности скальных трещиноватых пород к вывалообразованию или сохранению устойчивости массива при его обнажении.

К такому методу следует отнести метод и классификацию пород по устойчивости (табл.1), предложенные проф. Н.С. Булычевым, который нашел применение при проведении горных выработок и сооружении камер, причем этот метод оценивается комплексным показателем устойчивости породных обнажений (Б) от различных горно-геологических факторов и определяются не в баллах, которые не выражают их физической сущности, как в классификации 3. Бенявского, а - в физических величинах.

Устойчивость пород (степень склонности их к вывалообразованию и обрушению в выработку) оценивается по величине показателя 5 (табл. ), определяемого по формуле:

, (1)

КЫ К,КАКа

где / - коэффициент крепости пород по М.М. Протодьяконову; /(^коэффициент, характеризующий влияние степени трещиноватости пород; Кгг коэффициент, учитывающий число систем трещин; 1Сц -коэффициент, характеризующий влияние шероховатости стенок трещин; К ¡у - коэффициент, учитывающий увлажнение пород; К - коэффициент, характеризующий влияние раскрытия незаполненных трещин; Кл - коэффициент, учитывающий заполнение трещин раздробленной породой или вторичными минералами; К„ - коэффициент, учитывающий ориентировку выработки относительно наиболее развитой системы трещин.

Таблица 1

Класс устойчивости Степень устойчивости Значение показателя Б Характеристика состояния пород

I Вполне устойчивые >70 Вывалы и отслоения отсутствуют

II Устойчивые 5-70 Возможные отдельные отслоения

III Средней устойчивые 1-5 Возможно образование вывалов из кровли

IV Неустойчивые 0,05-1,00 Вывалы вскоре после обнажения, вывалы в боках

V Весьма неустойчивые <0,05 Обрушение вслед за обнажением

Коэффициент К„ учитывающий степень нарушенности массива пород трещинами, определяется в зависимости от пролета выработки по модулю относительной трещиноватости (п=а/а') (рис. 1, кривая 2):

К

- Ь ■ ехр(-сл),

(2)

где а - пролет выработки, м; с! - среднее расстояние между магистральными трещинами, м; Ь, с - эмпирические коэффициенты, характеризующие среднее количество пересекающихся систем и количество трещин, приходящихся на 1 м дины выработки Ь— 10, с = 0,02464.

Анализируя формулу (2) можно предположить, что коэффициент К* должен зависеть от прочностных свойств массива, а также от параметров выработки и характера трещин на контуре выработки, отсюда формулу (2) следует выразить в аналитическом виде:

<т

к =-£-

М о а

Р

ехр(-0,1и—),

(3)

где <тс°, стс° - пределы прочности образцов горных пород, соответственно, на сжатие и растяжение; V - коэффициент Пуассона, р- периметр выработки без ширины её почвы, м.

По предложенной зависимости (3) и экспериментальным данным при проведении штольни по гранодиоритам месторождения «Шануч» был произведен расчет коэффициента К„, который показал хорошую сходимость с зависимостью (2), коэффициент корреляции составил 0,9 (рис.1, кривая 3).

Расчет показателя в для гранодиоритов месторождения «Шануч» с учетом всех факторов, входящих в формулу (1) показал, что по столбцу табл.1 степень устойчивости пород соответствует II классу - «устойчивые» (Э =8,3). Но, если задаться минимальной величиной показателя устойчивости 5=5, соответствующему II классу - «устойчивые» табл.1, то можно определить величину раздробленности массива Км, при которой массив будет устойчивым (при сохранении по величине других факторов). С учетом этих предположений значение коэффициента Кл„ оценивающего степень нарушенности массива пород трещинами, и, а также формулы (3) среднее расстояние между магистральными трещинами (¡/), примет следующий вид:

6 £

3 3 2 ё.

2 ?

о

V Ч '

*

V

>

10 20 30 40 50

Модуль относительнойтрещиноватости, р/с]

Рис. 1 Зависимость коэффициента К„ от модуля относительной трещиноватости: 1 — экспериментальные данные, 2 — теоретическая кривая Н.С. Булычева, 3 - аналитическая кривая, предложенная автором.

0,1 Ур

Значение коэффициента К„ определяется по формуле (1) для Б=5. Подставляя значения коэффициентов в формулу (4) получим среднее расстояние между магистральными трещинами при устойчивом породном обнажения массива гранодиоритов при периметре подэтажной выработки в Юм для гор. +425 месторождения «Шануч», среднее расстояние между магистральными трещинами составит с1 =0,25 м.

Как известно, трещиноватость массива горных пород увеличивает значения остаточных деформаций, что сводит массив горных пород к упруго-пластической модели. Тогда, критерий устойчивости пород упруго-пластической модели массива определяется по зависимости:

уНК <<т °К -К (5)

ст с м 1

где - коэффициент пластичности горных пород, окружающих выработку, который определяется по формуле:

где Пс - деформационный критерий прочности Н.С. Булычева, который можно определить по диаграмме напряжений или по формуле:

1

где Ир - предельная глубина пластических деформаций пород, протекающих без разрушения, м.

Предельную глубину пластических деформаций с погрешностью не превышающей 10 % можно определить, приравняв её к мощности зоны влияния карьера на окружающий массив.

Поэтому необходимо обосновать мощность зоны влияния карьера на подкарьерный массив горных пород, так как исследуемый объект - медно-никелевое месторождение «Шануч» разрабатывается комбинированным способом, т.е. верхняя часть месторождения карьером до отм.+460 м, ниже запасы будут выниматься подземным способом до отм. +300 м.

Но для перехода к обоснованию мощности зоны влияния карьера на подкарьерный массив горных пород сначала надо установить величину коэффициента концентраций напряжений на массив, расположенный под дном карьера, с учетом влияния на него снежно-рудо-породной подушки, оставляемой в выработанном пространстве при сходе лавины в карьер и применении системы подэтажного обрушения.

В случае схода лавины в карьер основная нагрузка от динамического удара придется на породно-рудную подушку и надштрековый целик. Площадь, на которую придется удар от схода лавины, соответствует общей горизонтальной площади рудного тела. Средняя площадь зоны отработки составляет 2000м2. Максимальная высота падения снега составляет 160 м.

Расчет динамического удара при сходе лавины в карьер ведется из условия заполнения выработанного пространства между отметками дна карьера на начало отработки подкарьерных запасов и отметки горизонта находящегося в отработке на момент окончания работ, горизонт +300 м.

Вертикальная высота горы схода лавины (А;) равна 145 м, так как сначала движение лавины будет происходить по наклонной плоскости по борту карьера, что снизит скорость движения снега. Плотность снега составляет рс = 0,8 т/м3. Тогда нагрузка снежной массы при высоте снежно-рудо-породной подушки (Л) составит <тс = ус,/1 = рСрФ, где уср= (ус + ур + у^/3, у0 Ур, У* - соответственно, средний удельный вес снега, руды и породы, II/м3

Условие устойчивости вмещающего массива горных пород при пригрузке его снежно-рудо-породной подушки с учетом горизонтальных тектонических напряжений будет:

(6)

( VI—

2/И этр Я = 1 - бш Ф 1--—

е 0„

(7)

а К

\ сму

К (у Н + у АКлЛг ■к а\ п ср ) см !

<8> V

где X - коэффициент бокового распора, X =-, V - коэффициент Пуассона.

1-у

Динамический удар при сходе лавины в карьер не приведет к разрушению кровли нижележащих подземных выработок, если будет выполняться условие (8), но для этого необходимо определить высоту снежно-рудо-породной подушки, причем она предусматривает гашение скорости воздуха при сходе лавины до нормальной. Скорость воздушного потока при сходе лавины может быть рассчитана по формуле:

Кпм .

■м

У» Л V .

(краз-!)Л • (9)

где Кра, - коэффициент разрыхления обрушенной горной массы с учетом снежной лавины; -соответственно, площади дна карьера и лавины при её сходе (приближенно соответствует дну карьера, т е и; А; - вертикальная высота горы схода лавины.

С учетом рассчитанной скорости воздушного потока высота снежно-рудо-породной подушки определяется по формуле: 2

л=С£2^пШ.1 (10)

&\Гс

где у, - удельный вес воздуха, Н/м3; /)- коэффициент внутреннего трения (

/. = — Щ(р = —/£35° =1.52); С, - коэффициент лобового сопротивления (Сх= 5-10).

1 г- 24

По формуле (10) был произведен расчет высоты снежно-рудо-породной подушки, которая для горно-геологических условий месторождения «Шануч» с учетом скорости воздушного потока при сходе лавины (\'„га= 230 м/с при Кра1 = 1,3; И/ = 145 м и Л'., = X; Сх =7,5) составила 33 м.

Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что снежно-рудо-породная подушка, защищает нижележащие выработки и от динамического удара при сходе лавины, и служит гасителем скорости воздушной волны.

Для того, чтобы исключить значительные обрушения при подработке массива очистными работами, необходимо определить взаимосвязь коэффициента концентрации напряжения со структурными ослаблениями массива (его трещиноватости) и установить его предельную величину. Это возможно, если воспользоваться коэффициентом Ки с учетом формул (3) и (8) или коэффициент концентрации напряжений в массиве вмещающих горных пород для условия предельного устойчивого состояния будет

Лег°К ■К -у Л

^ = С - ^ , („)

пр у Н

и

Подставляя в формулу (11) значения К„ из зависимости (3) и учитывая, что приблизительно <т°р ~ А аЦ, то значение К, можно определить следующим образом:

ст° К ехр(-0,Ь> рМ)-у Л

Я -(12)

Для полученного коэффициента концентрации напряжений К„ были построены графики его изменения в гранодиоритах от среднего расстояния между трещинами с! и глубины разработки Н, под которой понимается суммарная глубина карьера и глубина под его дном (рнс. 2), при следующих горно-геологических данных: ас° = 54 МПа; Кэ = 1,137; V = 0,23; р = 10 м (периметр подэтажной выработки сечением 9,6 м2); уп = 0,026 Н/м3; уср = 0,0243 Н/м3; Ь = 33м.

Анализируя графики можно сделать вывод, что с увеличением среднего расстояния между магистральными трещинами в 5 раз коэффициент концентрации напряжений увеличивается в 2,5 раза на одной и той же глубине, а с увеличением глубины в 1,5 раза он уменьшается на 30% для одного и того же среднего расстояния между магистральными трещинами.

Расчетное значение предельного коэффициента концентрации напряжений в массиве вмещающих пород для условия предельного устойчивого обнажения для гранодиоритов с учетом всех рассмотренных факторов и среднего расстояния между магистральными трещинами с! =0,25 м. составит К„ = 4,53 уН (рис.2. - отмечен красной линией).

Таким образом, при комбинированной разработке месторождения под дном карьера в гористой местности коэффициент концентрации напряжений в массиве вмещающих пород для условия предельного устойчивого состояния зависит от прочностных и ппотностных свойств массива горных пород, его трещиноватости, нагрузки на подземные горные выработки от снежной рудо-породной подушки при сходе снежной лавины и изменяется от глубины разработки по гиперболическому закону (первое защищаемое положение).

Как было сказано выше, теперь необходимо обосновать мощность зоны влияния карьера на подкарьерный массив горных пород.

Исходя из предпосылок В.Г.Зотеева и с учетом структурных особенностей массива под дном карьера, его напряженного состояния (наличия горизонтальных напряжений, превышающих вертикальные) и контура карьера, нами была получена формула для определения величины зоны влияния карьера на прикарьерный массив горных пород:

3 1 1 1 Зона повышенных

4— ^ к лщеш радрсн налрго юеннн

V,

"" 1

Ц с - _ —1 ■

—1 1 1— — !

1

< 1

—1—

160 200 250 300

Глубина разработан, Н,п

—<з—1—2 —л- 3 —4

Рис.2 Графики изменения коэффициента концентрации напряжений К„ в гранодиоритах от глубины разработки Н и среднего расстояния между магистральными трещинами при г/: 1 -0,1м; 2 - 0,2м; 3 - 0,3м; 4 - 0,4м; 5 - 0,5м

Ар =Н У к

1 +

¿Л +Нк(с1Яа + с1г/1)

-,2

(13)

где Нк - проектная глубина карьера, м; ¿а - ширина дна карьера в сечении, м; К„ -коэффициент концентрации напряжений (опорного давления) в массиве пород (формула 12); ЛГ„. - коэффициент, учитывающий степень нарушенности массива прикарьерных пород трещинами от начала ведения очистных горных работ (формула 3), ф' - угол внутреннего трения пологой системы трещин.

На основании формулы (13) были построены графики изменения относительной мощности зоны влияния карьера на массив горных пород, расположенный под дном карьера, от углов наклона бортов карьера и коэффициента, учитывающего степень нарушенности массива прикарьерных пород трещинами (рис.3).

Графики построены для условий разработки месторождения «Шануч» в гранодиоритах со следующими показателями: Ьд= 100 м; Нк- 160 м; при различных г/ с учетом коэффициента Ка, определяемого по формуле 12 , ф' - угол внутреннего трения гранодиоритов, ф'=35°

Из графиков видно, что с увеличением угла наклона борта карьера на 10° при одинаковом среднем расстоянии между магистральными трещинами величина относительной мощности зоны влияния карьера на прикарьерный массив горных пород уменьшается на 30%, а с увеличением среднего расстояния между трещинами в 5 раз при одинаковом угле наклона борта карьера - уменьшается в 2,27-3,1 раза. Это связано с тем, что при увеличении среднего расстояния между трещинами массив горных пород становится более хрупким, т.е. в нем не развиваются пластические деформации, а, следовательно, относительная мощность зоны влияния карьера на подкарьерный массив убывает по экспоненциальному закону.

я а

я щ

в «й

н о.

а л

4

да а

» б

-о V

В я

о д

« Е

-о >б

Н Й

и -И

О В

в с.

Эо>

.Л

§ С.

2 я

а а

я я

в а

л в

5 « « в в я и о. о и в -о ь с.

0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

N ^

N ЧЧ ч V

ё^зз

(а

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Среднее расстояние между магистральными трещинами,11, м

—о—1 —а -2 —л • 3

Рис.3. Графики изменения относительной мощности зоны влияния карьера на прикарьерный массив горных пород (Ьр/Нк) от среднего расстояния между магистральными трещинами (с1) и углов наклона бортов карьера (а): 1 - а=40°; 2 - а=45°; 3 - а=50°.

Таким образом, можно сделать вывод, что величина мощности зоны влияния карьера на окружающий подкарьерный массив, соответствующая предельной глубине пластических деформаций, зависит от углов наклона бортов карьера, коэффициента, учитывающего степень нарушенности массива прикарьерных пород трещинами и коэффициента концентрации напряжений (опорного давления) в массиве и изменяется от среднего расстояния между магистральными трещинами по экспоненциальному закону (второе защищаемое положение).

Для проверки полученных, аналитических результатов по изменению относительной мощности зоны влияния карьера на прикарьерный массив горных пород было проведено математическое и физическое моделирование.

С целью установления влияния геометрических параметров открытой выработки на развитие зон аномальных напряжений в породном массиве с помощью компьютерной программы, разработанной В.Д. Морозовым и Р.Д. Исомовым, были проведаны вычислительные эксперименты при различных параметрах откоса.

В практике расчета устойчивости бортов карьеров по традиционным инженерным методам ступенчатостью профиля борта карьера пренебрегают и расчеты выполняются с предварительной генерализацией углов его профиля в виде плоского откоса. Тем самым не учитываются специфические особенности распределения напряжений в приконтурных участках отдельных уступов или групп уступов. Исследования НДС приконтурной части борта карьера ступенчатого профиля свидетельствуют о том, что локальная концентрация сдвиговых напряжений происходит в нижних частях откосов всех отдельных уступов (рис. 4). Наблюдается формирование зон аномальных напряжений (области, где горизонтальные напряжения превышают вертикальные и зоны растяжения). Наличие в верхней части борта карьера зоны растягивающих напряжений, а также зоны, где горизонтальные напряжения больше вертикальных, способствует возникновению трещин отрыва

620

Рис. 4 Распределение напряжений в прикарьерном массиве горных пород при ступенчатом профиле борта карьера: — - изолинии равных значений касательных напряжений;

зона действия растягивающих напряжении;

зона превышения

горизонтальных напряжений над вертикальными ; ¡*«а— - зона влияния карьера на породный массив под дном карьера

В качестве оценки устойчивости борта карьера используется коэффициент запаса прочности в пределах каждого конечного элемента, который определяется соотношением:

2 Г СОБ (р тах

(14)

где О], <Т2 - главные напряжения природного поля, хта.ч - максимальные касательные

напряжения; С - сцепление пород; <р - угол внутреннего трения пород.

Получение полной картины распределения этого коэффициента по всему приоткосному массиву позволяет установить наличие, размеры и местоположение зон, в которых выполняется одно из следующих трех условий при:

■ со>1 породы будут обладать запасом прочности, т.е. находиться в допредельном состоянии;

■ со = 1 - породы находятся в условии предельного равновесия;

■ со <1 - прочность породы будет нарушена и образуется локальная зона неустойчивости.

Увеличение крутизны и высоты откоса приводит к расширению зоны неустойчивости. С увеличением силы сцепления и угла внутреннего трения пород локальная зона неустойчивости уменьшается. При этом с увеличением силы сцепления граница этой зоны по контуру откоса смещается к области концентрации высоких значений сдвиговых напряжений (рис. 5), а при увеличении угла внутреннего трения эта граница приближается к свободной поверхности откоса.

Из рис. 5 следует, что критическая неустойчивая зона влияния борта карьера на массив горных пород, расположенный под дном карьера зависит от коэффициента запаса прочности и сцепеления пород и для гранодиоритов месторождения «Шануч» составляет около 15 м, что хорошо согласуется срасчетами по предложенной формуле (13).

Сравнение же распределения значений коэффициента запаса прочности пород в приконтурном массиве пород борта ступенчатого профиля с результатами расчета этого коэффициента для борта плоского профиля показало, что расчет коэффициента запаса устойчивости с предварительной генерализацией ступенчатого профиля борта карьера в виде плоского откоса приведет к занижению этого коэффициента на 25-35%.

Рис. 5. Зависимость размеров и местоположения критической зоны от сцепления пород (ф = 36°): 1 -2,5 МПа; 2-5 МПа; 3-10 МПа; 4-20 МПа; 5-35 МПа; 6-45 МПа

Помимо математического моделирования, с помощью которого было выявлена НДС массива горных пород при подработке дна карьера системой подэтажного обрушения и проверены расчетные величины зоны влияния карьера на породный массив, расположенный под дном карьера, и выявление зон концентрации напряжений при ведении подземных горных работ нами было проведено физическое моделирование методом фотоупругости с применением центрифуги. Исследования проводились по разработанной методике Криворожского горного института (КГРИ) для оценки концентрации напряжений между подэтажными выработками в целиках.

При проведении исследований оптическим методом модели в виде прямоугольных пластин были изготовлены из органического стекла марки СД-10 со свойствами: Е=15 МПа и ц=0,45. Параметры модели обусловлены размерами кассет центрифуги и составлял 140x140x10 мм.

В моделях имитировали выработанное карьерное пространства с различными конфигурацией откосов, глубиной и параметрами по поверхности и дну. Условия работы моделей на исследуемой глубине обеспечивали необходимой пригрузкой и силами бокового распора. Величина последнего для различных моделей изменялась в интервале 0,5-0,9 и принималась по результатам натурных измерений и расчетов, регулировалась зазором, оставляемым между боковыми стенками модели и кассеты. Естественная нагрузка на модель происходила за счет центробежной силы, образуемой вращением модели с частотой вращения от 500 до 950 об/мин. Глубина карьера принималась 160 м, углы наклона бортов карьера - а=50°. На уровне дна карьера пройдены подэтажные выработки с размерами 5x5 м, переведенные по масштабу для моделирования и разделительный целик (РЦ). Дно карьера было немного наклонено для исследования совмещения открытых и подземных работ.

Моделирование методом фотоупругости в сочетании с центробежным моделированием показало, что при выбранных параметрах пролетов выработок, прибортовой массив сохраняет устойчивость, а коэффициент концентрации напряжений под дном карьера для выбранных моделей колеблется от 0,15 до 0,45, что в натуре соответствует рассчитанным значениям, причем наибольшее значение он принимает в кровле подэтажной выработки со стороны висячего бока месторождения.

Но, как известно из литературных источников коэффициент концентрации напряжений зависит также и от пролета подработки. Поэтому на основании результатов моделирования и анализа научных работ по определению величины концентрации напряжений при подработке массива горных пород была получена зависимость предельного коэффициента концентрации напряжений (опорного давления) от горизонтального пролета подработки рудного тела под дном карьера, которая имеет следующий вид:

пр

г° • К ехр(-0,1 у р/ы)-у А С 5 СР

у"

2 — Зг

н-н

(15)

где Нк- глубина карьера, м; ур- коэффициент поперечных деформаций руды.

Из формулы (15) видно, что коэффициент концентрации напряжений состоит из двух сомножителей, первый определяет нагрузку в массиве вмещающих пород, вызываемую от возвышенности и борта карьера, снежной рудо-породной подушки и определяется формулой (12), а второй - от горизонтального пролета подработки рудного тела под дном карьера. Для полученного коэффициента концентрации напряжений К„ были построены графики его изменения в гранодиоритах с учетом подработки рудного тела от среднего расстояния между трещинами с1 и глубины разработки ниже дна карьера для гор. +300м (#-//„= 160 м), (рис. 6), при следующих горно-геологических показателях: ас° = 54 МПа; = 1,137; V = 0,23; р = 10 м (периметр подэтажной выработки сечением 9,6 м2); у„ = 0,026 Н/м3; уср = 0,0243 Н/м3; И = 33м, ур = 0,15.

Анализируя графики можно сделать вывод, что коэффициент концентрации напряжений может достигать больших величин, что повлечет за собой проявления горного давления в виде выволообразований, стреляний, выбросов породы и других явлений, причем при среднем расстоянии между магистральными трещинами увеличивающимися в 5 раз, коэффициент концентрации увеличивается в 11 раз. Поэтому для таких величин следует разгружать массив горных пород и одним из эффективных способов разгрузки, как было указано выше, является применение поверхностно-активных веществ (ПАВ), позволяющих снизить концентрацию напряжений, т.е. разгрузить массив.

-Ей

14 12 10 а й 4 2 О

Зо] са по тсн ВЬХ1Ш щяж *нны »Н1Ш ХХ01 щек] ра1Ц й -

—■ ш1 г* *

г—" "" X Г- 4 г"

Г —

^ <

0,2 0,3 0И- 0,5 0,6

Опгаигсюос, ЬС(Н-Нк)

—о—1—О—2—а- 3—4 О 5

Рис. 6 Изменение коэффициента концентрации напряжений К„ от соотношения

н-нк

и среднего расстояния между трещинами при Л. 1-0,1 м; 2 - 0,2 м; 3 - 0,3 м ; 4 - 0,5 м; 5 -данные моделирования.

Из графика на рис. 6 видно, что с учетом предельного по устойчивости коэффициента концентрации напряжений К„ равного 4,5 начинать разгружать массив ПАВ следует начиная с соотношения пролета подработки рудного тела "под дном карьера равного 0,37 (см. рис.6 -красная линия).

В связи с тем, что ПАВ представляют собой химические растворы: обыкновенная вода, додецилсульфат натрия (ДС) - 0,16%, М§С12 - 0,1%, А1С13 - 0,1%, синтанол -0,0001% и др. растворы, то необходимо рассмотреть характер влияния жидких растворов ПАВ на прочностные, деформационные свойства горных пород и методы их нагнетания в массив.

Рядом ученых, в частности, И.О. Осиповым и В.В. Сыбулатовым, установлено, что действие ПАВ сопровождается закономерным изменением комплекса механических свойств горных пород: увеличением степени нарушенности (трещиноватости); снижением прочности (от 20 до 70%), уменьшением модуля и предела упругости (в среднем в 1,3-1,5 раза), активизацией (в 1,5-7,0 раз) процессов ползучести и релаксации напряжений в горных породах.

Анализ научной литературы по применению ПАВ для снижения концентрации напряжений показал, что комплексной характеристикой разрушаемости горных пород является их паспорт прочности. Поэтому нами выполнены экспериментальные исследования и построения паспортов прочности вмещающей породы — гранодиоритов и сплошной медно-никелевой руды. Испытания производились на образцах в естественном (воздушно-сухом) состоянии и обработанных соответствующим раствором ПАВ с использованием жестких прессов.

В соответствии с теорией хрупкого разрушения (теорией трещин Гриффитса) снижение прочности обусловлено понижением поверхностной энергии горной породы за счет адсорбции на поверхности трещин и пор активных молекул раствора.

Тогда снижение прочности должно происходить по мере проникновения раствора ПАВ в породу, т. е. зависеть от времени выдержки образца в среде. Проведенные эксперименты на 17 образцах подтвердили существование такой зависимости (рис. 7).

10 12 14 16

Продолжительность выдержки образца породы в ПАВ 0), сут.

1 -2

Рис. 7 Изменение прочности гранодиорита от продолжительности его насыщения растворами ПАВ: 1 - 0,1% раствор М§С12; 2 - вода; 3- теоретическая кривая (красного цвета)

Обработав экспериментальные данные методом наименьших квадратов, получим зависимость изменение прочности гранодиорита от продолжительности его насыщения раствором ПАВ в следующем виде:

а ('б)

с' 1+4/

где аа - изменение прочности породы на сжатие под действием ПАВ, МПа; I -продолжительность насыщения породы ПАВ, сут.; а, Ь - коэффициенты пропорциональности, а =60, ¿ = 0,14.

Коэффициенты пропорциональности а и Ь не несут физического смысла, проанализировав формулу (16) можно предположить, что коэффициент а может представлять предел прочности образца породы на одноосно сжатие (ас°) при сухом состоянии, а коэффициент Ь - коэффициент Пуассона (у). На рис.7 приведены экспериментальные и теоретические данные расчета изменения прочности образцов породы от продолжительности насыщения ПАВ. Сравнение показывает, что коррелирование между коэффициентами близкое и составляет 0,87, как для ПАВ в виде воды, так и для 0,1% раствора М{5СЬ.

Тогда с учетом допущений зависимость (16) примет следующий вид:

<т°

£7° =—(П)

" 1+У-/

Из графиков на рис. 7 видно, что снижение предела прочности пород на одноосное сжатие при полном насыщении массива раствором поверхностно-активного вещества (ПАВ) со временем изменяется по гиперболическому закону и в среднем составляет около 50 % в течение 6-8 суток, а при дальнейшем насыщении породы свыше 8 суток прочность изменяется всего лишь на 17-20% (третье защищаемое положение).

Анализ научных работ по исследованию влияния жидких растворов ПАВ на прочностные свойства горных пород показал, что действие ПАВ приводит к существенному разупрочнению горных пород, причем при нагнетании ПАВ в горную породу вокруг скважины (шпура) создается среда, представляющая собой реологическую, т.е. среда, деформации и напряжения которой изменяются от времени и подчиняются теории наследственной ползучести.

Для подтверждения этого были проведены эксперименты на заводе строительных материалов. Испытания горных пород изгиб по методике, акад.Ж.С. Ержанова. Для обеспечения

в образце состояния близкого к одномерному поперечные размеры балки были в 6-10 раз меньше ее длины. Для предотвращения высыхания образцов в процессе длительных испытаний они изолировались от атмосферы путем покрытия их тонкой пленкой быстротвердеющего фурапласта

Образцы гранодиорита размерами 20x20x160 мм испытывались на изгиб действием сосредоточенной силы, приложенной в центре пролета образца-балочки длиной I = 140 мм. Измерялся прогиб балочки У(1) при гостоянной нагрузке.

На основании проведенных экспериментов были получены кривые ползучести и изохронные кривые для гранодирита месторождения «Шануч» (рис.8).

Поскольку изохронные кривые (рис. 8) представляют собой прямые линии (ползучесть подчиняется линейному закону), для моделирования деформаций гранодиорита можно использовать линейную наследственную среду, при этом требуется определить реологические характеристики гранодиорита а и 5.

Обработав расчетные данные, были получены реологические характеристики а=0,658, а 5 = 0,0102, а на рис.8 показана эта зависимость в основных обозначениях (кривая приведена красным цветом).

в МПа 1.8 0.9 О

50

100

150

:оо

250

300

350 400 Г. Ч

Рис.8 Кривые ползучести и изохронные кривые гранодиорита при испытании образцов на изгиб.

Представленную кривую с большой долей достоверности можно аппроксимировать как незатухающуюся ползучесть и отнести к вязко-упруго-пластической модели Шведова-Бингама. В связи с тем, что для наследственной среды полная деформация складывается из мгновенной деформации и деформации ползучести, то её величина может ассоциироваться с деформационным критерием прочности Н.С. Булычева (Яг), т.е.:

П =1 + — £ 1-

,1 -а

(17)

Тогда коэффициент пластичности горных пород (гранитоидов) окружающих выработку, который с учетом реологических свойств пород при подаче в них ПАВ и формулы (6) определяется по зависимости:

^БШ <р

(18)

К =1

1

Бт <р

8

1 +-1

1 -а

1 -а

Коэффициент пластичности Кч горных пород прямо пропорционально связан с концентрацией напряжений в массиве К„ и поэтому с увеличением времени насыщения пород ПАВом значение К, также постепенно увеличивается по степенному закону, при этом в показатель степени входит показатели ползучести (а) и угол внутреннего трения породы (<р).

Переходя к выражению концентрации напряжений в массиве горных пород с учетом

полученной зависимости коэффициента пластичности (формула 18) и изменения прочностных свойств горных пород под действием ПАВ со временем, общая формула для его определения имеет следующий вид:

г-зу

К г ехр (-o.lv- р! ¿1)-г ср А

И - н

(19)

где £ - пролет подработки рудного тела, м; ур - коэффициент Пуассона для руды. ■

Таким образом, для снижения величины концентрации напряжений в массиве горных пород в местах её повышенных значений, как было рассмотрено выше, необходимо по скважинам нагнетать растворы ПАВ, при этом как видно из формулы (19) величина коэффициента напряжений со временем изменяется по гиперболическому закону.

Для горно-геологических условий месторождения «Шануч» превышение величины коэффициента концентрации напряжений соответствует глубине разработки с гор.+350м. при среднем расстоянии между магистральными трещинами 0,3м. Отработка рудной залежи ведется подэтажами высотой 15 м и расстоянием между ними Юм. Поэтому на глубине, соответствующей горизонту +350м, следует из подэтажных буровых штреков, расположенных под подэтажом, на котором ведутся очистные работы, нагнетать по скважинам ПАВ, которые проходят через 10м и подавать по ним ПАВ в течение ремонтной смены (6ч). Это возможно только при определенном пролете подработки массива на рабочем подэтаже (Ь). Для установления величины пролета подработки массива используем формулу (19), после сё преобразования имеем:

I ={Н-Нк)

Спр

■у(Н -Н ) 0 +!/■/)

ехр (- 0,1 V ■ р / </ ) - у А

(20)

Для полученного величины пролета подработки были построены графики его изменения в гранодиоритах от среднего расстояния между трещинами с/ и глубины разработки Н (рис. 9) гуи следующих горно-геологических показателях: #„ - глубина карьера и глубина под его дном, ас = 54 МПа; % определяют по формуле (18) при / = 6ч - = 1,054; V = 0,23; р = Юм (периметр подэтажной выработки сечением 9,6 м2); у = 0,026 Н/м3; уср = 0,0243 Н/м3; И = 33 м; у„ = 0,2; Ктр = 4,35 (предельная величина коэффициента концентрации напряжений при <1= 0,25м).

Д 60

X Й АП

5 40 ю

§. 30 ч

н 1— . — —с > — — —

§ ю а С 0 1

0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

Среднее расстояние между магистральными трещинами ((1), м

—а —2

Рис. 9 Графики изменения величины пролета подработки от глубины под дном карьера и среднего расстояния междумагистральными трещинами при глубине под дном карьера (#-Я„): 1 -40м; 2-90м

Анализируя графики можно сделать вывод, что с увеличением среднего расстояния

между магистральными трещинами в 2 раза пролет подработки рудного тела при предельной концентрации напряжений в породном массиведля одной и той же глубины уменьшается по экспоненциальному закону и изменяется от 35до 45%, а с увеличением глубины в 2,5 раза он уменьшается в 2-2,5 раза

При нагнетании ПАВ через скважины под давлением во вмещающие породы в местах концентрации напряжений жидкость может внедряться в массив либо диффузионным путем, либо под действием напорной фильтрации, в последнем случае происходит раскрытие естественных трещин. При раскрытии трещины из ее вершины излучаются упругие колебания (импульсы акустической эмиссии).

При этом, имея полные данные о системе трещин и напряженном состоянии массива и с учетом положений теории Гриффитса и гипотез, выдвинутых Г. И. Баренблаттом при решении задач о предельном равновесии упругих тел с макротрещинами и дополненных A.B. Шадриным, можно определить критическую величину давления в трещине с помощью выражения:

NKP =ff,(sin2 0 + ¿cos0) + J-—^(Т.2 sin2 1в, (21)

а,

где Л = —и <Ti и <Т2— соответственно вертикальная и горизонтальная составляющие "1

горного давления; 6 — угол ориентации трещины, град.; Е — модуль Юнга, МПа; у — плотность энергии на разрыв, МПа- м; v — коэффициент Пуассона

Критический темп нагнетания q'^, определенный по методике Н.В. Ножкина, при достижении которого происходит переход диффузионного режима нагнетания к напорной фильтрации дает следующее значение:

In-h-n-b -т- К • &N

Я = , --, (22)

КР 2yjmK&N-fit-М-В

2 и-В2

/>- и N>NK„, где q<¡ — расход рабочей жидкости, отнесенный к полоске

m-K-AN

боковой поверхности трещины единичной ширины; т — пористость пласта; К — проницаемость пласта; AN = N„ — Nn,: Nm - давление на стенке трещины; Nm — пластовое давление жидкости, примерно равное давлению газа; ц — вязкость рабочей жидкости.; t —время нагнетания; В — среднее раскрытие трещины

При нагнетании целесообразно использовать систему общешахтных трубопроводов воды и сжатого воздуха Для поддержания заданной конце!Прации растворов ПАВ целесообразно применение дозирующе-подающая установка (ДПУ) на базе серийно изготовляемого дозатора-смачивателя ДСУ-4М. Эта установка позволяет осуществлять контроль состава и расхода растворов, создавать и автоматически поддерживать заданный напор независимо от колебаний давления и сжатого воздуха и воды в шахтных магистралях. Учитывая необходимость строгого поддержания необходимой концентрации раствора, нагнетание следует осуществлять по зажимной схеме, не предусматривающей возвращение избыточной части жидкости в расходную емкость.

Анализируя результаты опытно-промышленных испытаний нагнетания ПАВ в породный массив из забоя горной выработки на других рудниках можно сделать, что наибольший эффект дает серия последовательных циклов нагнетания.

На основании решенных задач, поставленных в работе, была разработана методика оценки снижения напряжений в массиве горных пород поверхностно-активным веществом, учитывающая напряженное состояние горного массива применительно к условиям комбинированной разработки месторождения в гористой местности.

С этой целью порядок выполнения расчета по предлагаемой методике принимать следующий:

1. Определить физико-механические свойства руды и вмещающих пород массива и их структурные особенности.

2. Выбрать и обосновать систему разработки месторождения и её конструктивные элементы.

3. Определить коэффициент К„ учитывающий степень нарушенности массива пород трещинами в зависимости от пролета выработки по модулю относительной трещиноватости (формула 3):

4. По отобранным кернам определяют следующие коэффициенты: / - коэффициент крепости пород по М.М. Протодьяконову; К/г коэффициент, учитывающий число систем трещин; К к -коэффициент, характеризующий влияние шероховатости стенок трещин; К>г -коэффициент, учитывающий увлажнение пород; К, - коэффициент, характеризующий влияние раскрытия незаполненных трещин; Кл - коэффициент, учитывающий заполнение трещин раздробленной породой или вторичными минералами; К„ - коэффициент, учитывающий ориентировку выработки относительно наиболее развитой системы трещин.

5. Оценивается устойчивость пород (степень склонности их к вывалообразованию и обрушению в выработку) по величине показателя 5, предложенный проф. Н.С. Булычевым и определяемый по формуле (1):

6. По табл. 1 для рассчитанного значения Б устанавливают класс устойчивости и в нем выбирают минимальное значение показателя Э.

7. По минимальному значению Б устанавливают предельное значение среднего расстояния ¿„р по формуле (4).

8. Предельная глубина пластических деформаций, соответствующая мощности зоны влияния карьера на массив горных пород, определяют по формуле (13):

9. Деформационный критерий прочности определяют по формуле (7)

10. Затем определяют коэффициент пластичности горных пород (Кч), окружающих выработку по формуле (6).

11. Для подземной разработки месторождения под дном карьера с учетом гористого рельефа поверхности для предотвращения динамического удара от снежной лавины определяют высоту снежно-рудо-породной подушки по формулам (9,10).

12. Предельное значение коэффициента концентрации напряжений К, определяют по формуле (15).

13. Устанавливают глубины разработки под дном карьера, при которых величина коэффициента концентрации напряжений превысит предельное значение К„ > Ктр при <1пр.

14. Для снижения концентрации напряжений на установленных глубинах через скважины подают ПАВ (воду, 0,1% раствора М§С12 или др. растворы) и рассчитывают величину изменения прочности образцов породы (ста°) от продолжительности (0 насыщения ПАВ по формуле (17).

15. Коэффициент пластичности горных пород Кч окружающих выработку, который с учетом реологических свойств пород при подаче в них ПАВ определяется по зависимости (18) (для гранитоидов а=0,658, а 5 = 0,0102).

16. Для установления величины пролета подработки массива при снижении величины коэффициента концентрации напряжений из-за насыщения подкарьерного массива пород ПАВ используют формулу (20):

17. Критическую величину давления в трещине устанавливают по формуле (21).

18. Критический темп нагнетания при достижении которого происходит переход диффузионного режима нагнетания к напорной фильтрации рассчитывают по зависимости (22).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований решена задача по разработке метода оценки снижения напряжений в массиве горных пород поверхностно-активным веществом, что приводит к разгрузке массива горных пород, предотвращает его от обрушения и имеет большое значение для горнодобывающей отрасли, в частности, комбинированной разработке рудных месторождений в гористой местности

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. На основании анализа методов оценки устойчивости обнажений горных выработок при трещиноватом массиве горных пород были выявлены критерии устойчивости и показатели,

характеризующие их, одним из которых является степень нарушенности массива пород трещинами, определяемый коэффициентом К„ в зависимости от периметра выработки по модулю относительной трещиноватости (отношения пролета выработки к среднему расстоянию между магистральными трещинами на обнажении выработки), причем Км от этого модуля изменяется по экспоненциальному закону.

2. При комбинированной разработке месторождения под дном карьера в гористой местности коэффициент концентрации напряжений в массиве вмещающих пород для условия предельного устойчивого обнажения зависит от прочностных и плотностных свойств массива горных пород, его трещиноватости, нагрузки на подземные горные выработки от снежной рудо-породной подушки при схода снежной лавины и изменяется от глубины разработки по гиперболическому закону.

3. Значение предельного коэффициента концентрации напряжений в массиве вмещающих пород для условия предельного устойчивого обнажения для гранодиоритов месторождения «Шануч» с учетом всех рассмотренных факторов и среднего расстояния между магистральными трещинами с/ =0,25 м. составило К, = 4,53 уН.

4. Установлено, что величина зоны влияния карьера на окружающий прибортовой массив зависит от углов наклона бортов карьера, коэффициента, учитывающего степень нарушенности массива прикарьерных пород трещинами от начала ведения подземных очистных работ и коэффициента концентрации напряжений (опорного давления) в массиве и изменяется от среднего расстояния между магистральными трещинами по гиперболическому закону.

5. Для проверки полученных, аналитических результатов по изменению относительной мощности зоны влияния карьера на прикарьерный массив горных пород были выбран методы: численное моделирование - для качественной оценки распределения напряжений, а для получения количественных показателей - метод фотоупругости в сочетании с центробежным моделированием.

6. Математическое моделирование методом МКЭ показало, что критическая неустойчивая зона влияния борта карьера на массив горных пород, расположенный под дном карьера, зависит от коэффициента запаса прочности, сцепления пород и для гранодиоритов месторождения «Шануч» составляет около 15 м, что хорошо согласуется с расчетами по предложенной формуле (13).

7. Моделирование методом фотоупругости в сочетании с центробежным моделированием показало, что при выбранных параметрах пролетов выработок, прикарьерный массив сохраняет устойчивость, а коэффициент концентрации напряжений под дном карьера для выбранных моделей колеблется от 0,15 до 0,45, что в натуре соответствует рассчитанным значениям, причем наибольшее значение он принимает в кровле подэтажной выработки со стороны висячего бока месторождения.

8. При комбинированной разработке месторождения под дном карьера в гористой местности коэффициент концентрации напряжений в массиве вмещающих пород для условия предельного, устойчивого состояния зависит от прочностных и плотностных свойств массива горных пород, его трещиноватости, нагрузки на подземные горные выработки от снежной рудо-породной подушки при сходе снежной лавины, а также от горизонтального пролета подработки рудного тела под дном карьера и изменяется от соотношения пролета подработки к глубине разработки по степенному закону.

9. Для горно-геологических условий месторождения «Шануч» при превышении значения предельного коэффициента концентрации напряжений Ка равном 4,5, следует начинать разгружать массив ПАВ и только при соотношении пролета подработки рудного тела к глубине под дном карьера равном 0,37.

10. Установлено, что снижение предела прочности пород на одноосное сжатие при полном насыщении массива раствором поверхностно-активного вещества (ПАВ) со временем изменяется по гиперболическому закону и в среднем составляет около 50 % в течение 6-8 суток, а при дальнейшем насыщении породы свыше 8 суток прочность изменяется всего лишь на 1720%.

11. Коэффициент пластичности насыщенных поверхностно-активными веществами пород, определяемый через деформационный критерий прочности и показатели ползучести

наследственной среды, можно отнести в качестве характеристики вязко-упруго-пластической модели Шведова-Бингама.

12. С целью снижения коэффициента концентрации напряжений за счет нагнетания в массив ПАВ через пробуренные скважины, имея полные данные о системе трещин и напряженном состоянии массива, можно определить критическую величину давления в трещине с помощью выражения (20).

13. При нагнетании ПАВ целесообразно использовать систему общешахтных трубопроводов воды и сжатого воздуха и наибольший эффект дает серия последовательных циклов нагнетания.

14. Критический темп нагнетания q'KP, при достижении которого происходит переход диффузионного режима нагнетания к напорной фильтрации, описывается зависимостью (22).

15. Разработана методика оценки снижения напряжений в массиве горных пород ПАВ, учитывающая напряженное состояние горного массива применительно к условиям комбинированной разработки месторождения в гористой местности.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Акопян К.Л., Панов A.C. Разработка модели для прогноза напряженно-деформированного состояния подработанного скального массива горных пород при разработке рудных месторождений /Материалы V Международной, научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые - наукам о земле» 23-25 марта 2010 года, с.209

2. Панов A.C., Акопян К.Л. Оценка устойчивости горных выработок в нестационарных полях напряжений /Материалы V Международной, научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые - наукам о земле» 23-25 марта 2010 года, с.241

3. Матвеев И.С., Акопян К.Л., Шерабуров A.A., Боровкова Е.Ю. Исследование особенностей распространения техногенных воздействий горного производства в 'окружающей среде /Материалы V Международной, научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые - наукам о земле» 23-25 марта 2010 года, с.233.

4. Акопян К.Л. Снижение напряженного состояния поверхности массива горных пород на основе применения поверхностно-активных веществ /Доклады X Международной конференции «Новы идеи в науках о земле», М., 2011, т.2, с. 130

5. Акопян К.Л., Боровков Ю.А. Направленное изменение свойств и состояния горных пород поверхностно-активными веществами /Материалы VII Международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых», 30 марта-5 апреля 2012, МГРИ-РГГРУ, М., 2012, с.70.

6. Боровков Ю.А., Акопян K.JL, Рыбин ПС. Обоснование параметров предохранительной подушки из вскрышных пород при отработке подкарьерных запасов системами с обрушением /Материалы VII Международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых», 30 марта-5 апреля 2012, МГРИ-РГГРУ, М„ 2012, с.85.

7. Боровков Ю.А, Акопян К.Л. Снижение вероятности проявления горного давления в массиве на основе применения поверхностно-активных веществ /Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в науке о Земле», Начальчик, 2012, с. 6566.

8. Боровков Ю.А, Акопян К.Л. Особенности влияния поверхностно-активных веществ на изменение физико-механических свойств и напряженно-деформированное состояние горных пород//Горно-информационно-аналитический бюллетень, №4, 2012, с. 77-79.

9. Боровков Ю.А, Акопян К.Л. Снижение вероятности проявления горных ударов в массиве горных пород на основе применения поверхностно-активных веществ //Горноинформационно-аналитический бюллетень, №4,2012, с. 80-82.

Подписано в печать: 23.03.2013 Объем: 1,0 п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 51 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru