Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка метода оценки устойчивости подземных горных выработок в прибортовом массиве карьера при комбинированной разработке рудных месторождений

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

Автореферат диссертации по теме "Разработка метода оценки устойчивости подземных горных выработок в прибортовом массиве карьера при комбинированной разработке рудных месторождений"

005«°'

На правах рукописи

МАЛЬСКИИ КИРИЛЛ СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В ПРИБОРТОВОМ МАССИВЕ КАРЬЕРА ПРИ КОМБИНИРОВАННОЙ РАЗРАБОТКЕ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 а дпр т

Москва 2013

005057523

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:

академик РАН, профессор Трубецкой Климент Николаевич.

Официальные оппоненты:

Бондаренко Владимир Михайлович

Доктор технических наук, Российский государственный геологоразведочный

университет, профессор кафедры Геофизики

Силкин Александр Августович

Кандидат технических наук, ОАО «Внипипромтехнологии», начальник лаборатории горно-технологического моделирования.

Ведущая организация:

ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н.М.Федоровского" (ФГУП «ВИМС»)

Защита диссертации состоится «25» апреля 2013 года, в 13 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 2- & марта 2013 г.

Г\

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук {

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Большинство рудных месторождений полезных ископаемых не имеют четко обозначенных границ, и при добыче руды открытым способом за контуром карьеров остаются залежи, разработка которых на определенном этапе считается не рентабельной, как правило, из-за небольших размеров или низкого содержанием полезного компонента. С развитием карьеров запасы, залегающие в благоприятных для добычи условиях, истощаются, и становится целесообразным вовлекать в отработку руды с более низким содержанием металла, чему так же способствует постоянное совершенствование технологии извлечения и переработки более бедных руд. При этих условиях ряд рудных залежей, находящихся за бортами карьера, становится перспективным к извлечению.

Одним из вариантов поддержания объемов добычи является вовлечение в разработку подземным способом залежей, расположенных в прибортовом массиве карьера. Такому способу эксплуатации свойственно влияние на горный массив комплекса нагрузок, возникающих при совмещении во времени работ в карьере и подземных горных выработках, приводящие к изменению значений напряженно-деформированного состояния, как вблизи поверхностей горных выработок, так и в глубине массива.

Вопросам комбинированной разработки рудных месторождений, в частности приконтурных запасов карьеров, посвящены работы ученых A.B. Арсентьева, Д.М. Бронникова, Ж. В. Бунина, Ю.В. Волкова, Ю.В. Демидова, Д.М.Казикаева, Д.Р. Каплунова, A.C. Малахова, М.В. Рыльниковой, К.Н. Трубецкого, В.А. Шестакова и др. В них установлено, что технология такой разработки сопряжена с изменением основных процессов, связанных с добычей руды, сложившихся на горнодобывающем предприятии за время его существования, и характеризуется тем, что горно-геологические условия и физико-механические характеристики горных пород, а также поля напряжений в горном массиве уже достаточно хорошо изучены в течение времени существования рудника.

Вопросами влияния естественных нагрузок на горные выработки массива занимались ученые д.т.н. А. Гейм, А.Н. Динник, Д.М. Казикаев, И.М. Петухов и др. В их работах сформулирован основной принцип учета гравитационных и тектонических сил при расчете устойчивости подземных горных выработок.

Изучению воздействия динамических нагрузок (в частности при проведении взрывов) на горный массив и снижению негативных последствий от них на горные выработки посвящены работы ученых В.В. Адушкина, В.Л. Барона, A.A. Турина, С.А. Козырева, Н.В. Мельникова, В.Н. Мосинца, В.Н. Опарина, М.А. Садовского, A.A. Спивака, А.Н. Ханукаева, Е.И. Ше>1якйна и др. В них рассмотрена физическая природа распространения сейсмических колебаний при проведении взрывных работ, комплекс инженерных методов управления сейсмическим действием взрыва, а так же комплексы инженерных методов управления энергией взрыва при

3

разработке месторождений полезных ископаемых, как открытым, так и подземным способом.

При переходе на комбинированный способ разработки месторождения приходится корректировать существующие и разрабатывать новые технологические режимы ведения горных работ. В процессе их разработки одним из основных условий является обеспечение сохранности действующих горных выработок, устойчивость которых определяется по результатам прогнозных расчетов проводимых с использованием зависимостей позволяющих прогнозировать значение нагрузкок на подземные горные выработки. В качестве исходных данных для этих зависимостей используют значения, полученные в результате экспериментальных исследований степени воздействия комплекса сил на горные выработки, возникающих в условиях действующего рудника Достоверность и оперативность исходных данных существенно зависят от методов их получения, сбора и анализа, что в конечном итоге влияет на качественные характеристики технологических операций горного производства.

Вышеизложенное подтверждает актуальность разработки метода оценки устойчивости горных выработок в прибортовом массиве карьера при комбинированной разработке рудного месторождения.

Цель работы: состоит в разработке метода оценки устойчивости подземных горных выработок для обеспечения их сохранности при отработке рудных залежей, расположенных в прибортовом массиве карьера, при комбинированном способе разработки месторождений.

Идея работы: состоит в определении величины и направления действия на подземные горные выработки динамических нагрузок, возникающих при буровзрывных и погрузочно-доставочных работах, в зависимости от их технологических особенностей и мест проведения по параметрам вибрации поверхностей обнажений горного массива в районе разработки прибортовых запасов карьера.

Основные задачи исследования:

1) Анализ геомеханических и горнотехнических факторов, влияющих на напряженно-деформируемое состояние горного массива, в районе подземных выработок при разработке прибортовых запасов карьера;

2) Разработка методики проведения измерений параметров колебаний участка борта карьера и обнажений подземных выработках аппаратурой измеряющей уровни вибрации.

3) Проведение экспериментальных исследований параметров вибрации поверхностей горного массива в условиях действующего производства: при отсутствии ведения горных работ (фоновой вибрации), при взрывах в карьере и подземном очистном блоке, а так же при работе мощного экскаватора вблизи предполагаемого портала штольни на борту карьера.

4) Разработка зависимости позволяющей рассчитывать скорости колебании обнажения подземной горной выработки, учитывая специфические особенности массового взрыва и места его проведения в карьере.

5) Разработка метода оценки устойчивости горных выработок в прибортовом массиве карьера при комбинированной разработке рудного месторождения.

Объект исследований: подземные горные выработки и участки борта карьера в районе ведения разработки его прибортовых запасов.

Предмет исследований: параметры вибрации поверхностей горных выработок в районе разработки прибортовых запасов при ведении горных работ в карьере и подземных горных выработках.

Основные защищаемые положения:

1) параметры упругих колебаний обнажений горного массива, возникающих при ведении горных работ, можно определять по показаниям сейсмоизмерительной и виброизмерительной аппаратуры, вводя коэффициент пересчета измеренных значений.

2) Коэффициент учета сейсмических свойств массива горных пород Ксевсм в разработанной формуле расчета скорости колебания участка борга карьера при массовых взрывах, должен определяться как отношение произведения приведенного расстояния и измеренной скорости колебания частиц грунта к произведению скорости детонации взрывчатого вещества, объема заряженного взрывчатого вещества и коэффициента заполнения скважины.

3) Скорость колебания обнажения подземных горных выработок, расположенных в прибортовом массиве карьера, определяется из произведения значения скорости колебания обнаженной поверхности борта карьера и экспоненциальной зависимости отношения расстояния от борта карьера до подземной горной выработки к расстоянию от места проведения взрыва до подземной горной выработки с учетом коэффициента учета оссобенностей затухания упругих колебаний в горном массиве.

Методы исследования: для решения поставленных задач использован комплексный метод исследований, включающий: изучение, анализ и обобщение отечественного и мирового опыта по библиографическим и патентным материалам; анализ геомеханических процессов, протекающих в прибортовых зонах при ведении работ в карьере, исследование напряженно-деформированного состояния горного массива; проведение экспериментальных исследований в условиях действующего производства; обработка экспериментальных данных методом математической статистики; сопоставление полученных экспериментальных данных с результатами аналитических исследований.

Научная новизна работы:

1. Установлена зависимость между скоростью колебания участка борта карьера при проведении массовых взрывов в различных его частях, учитывающая, объем взрываемого вещества, технологию проведения взрывных работ,

5

особенность распространения упругих волн по сферической поверхности карьера, по его дну и по боргам, от места проведения взрыва до участка измерения.

2. Получена зависимость между скоростью колебания обнажений подземных горных выработок, расположенных в прибортовом массиве карьера от отношения кратчайшего расстояния по горному массиву от борта карьера до подземной горной выработки к расстоянию от места проведения взрыва до подземной горной выработки.

3. Установлено, что уровни вибрации обнажений горного массива вблизи работающего мощного карьерного экскаватора в ряде случаев сопоставимы с уровнями вибрации обнажений горного массива, возникающими при массовом взрыве (например, для условий месторождения Мурунтау внедрение ковша емкостью 26 м3 в раздробленную горную породу и сброс горной породы массой 35 т в кузов карьерного автосамосвала вызывают вибрацию на обнажении борта карьера, аналогичную вибрации, вызываемой взрывом ВВ Нобелан2080 массой 270 т на расстоянии 1,2 км).

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждается: применением многократно апробированных методических подходов для решения задач, связанных с исследованием и оценкой нагрузок, действующих на горные выработки при разработке золоторудных месторождений, представительностью и надежностью исходных данных, достаточным для однозначных выводов объемов проведенных экспериментов, обработкой экспериментальных данных методом математической статистики, использованием измерительной аппаратуры, прошедшей государственную поверку.

Научная значимость: состоит в разработке и обосновании метода оценки устойчивости подземных горных выработок в прибортовом массиве карьера с учетом технологических особенностей ведения горных работ при комбинированной разработке рудных месторождений на горнодобывающих предприятиях с различными горно-геологическими условиями и горнотехнологическими режимами.

Практическая значимость: заключается в возможности использовании разработанного метода оценки устойчивости подземных горных выработок в прибортовом массиве карьера при комбинированной разработке рудных месторождений практически на всех рудниках без существенной корректировки.

Личный вклад автора заключается:

1) в постановке задачи исследований, сборе, анализе и систематизация научных материалов, посвященных формированию нагрузок на участках горного массива вблизи бортов карьера и подземных горных выработках, в зависимости от его свойств и воздействующих на него сил.

2) разработки методики, и, согласно её положениям организации проведения экспериментальных исследований параметров колебания частиц участка

обнажения подземных горных выработок, возникающей при различных технологических операциях в карьере и подземных горных выработках.

3) установлении эмпирических зависимостей между параметрами взрыва, местом его проведения в карьере, характеристиками горного массива и параметрами вибрации участков борта карьера и обнажений подземных горных выработок.

Апробация работы: результаты, основные положения и выводы доложены на научных конференциях «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (ИПКОН РАН 2009), «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых», «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке полезных ископаемых» (РГГРУ 2010, 2011 2012), Международной научно-практической конференции «Инновация-2011» (ТашГТУ, Узбекистан 2011).

Публикации: По результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ, в том числе 4 в журналах, рецензируемых ВАК РФ, оформлены две заявки на изобретение по которым принято решение о выдачи патентов РФ, получен патент РФ на изобретение полезной модели.

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 137 наименований, изложенных на 131 листах машинописного текста, содержит 55 рисунков и 28 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю академику РАН К.Н. Трубецкому за помощь и поддержку на всех этапах работы, а так же благодарит за ценные указания и консультации в ходе работы над диссертацией д.т.н. Ю.И. Анистратова, д.т.н. Ж.В. Бунина, д.т.н. Ю.А. Боровкова, д.т.н. А.Б. Макарова, к.т.н. JI.M. Титова, к.т.н. E.H. Холобаева; автор признателен д.т.н. П.А. Шеметову, руководящим специалистам Н.П. Снитке, Э.Х. Халикулову, C.B. Лео, A.B. Кочетову за помощь в проведении экспериментальных исследований; автор благодарит Т.А. Денисову за поддержку при написании работы.

Содержание работы

В первой главе рассмотрены методы расчета сил и нагрузок на горный массив в зависимости от горно-геологических условий в местах залегания рудных залежей и особенностей ведения горных работ. Проанализированы условия их применения для оценки влияния сил на подземные горные выработки расположенные вблизи карьера Разработана модель действия сил на подземные горные выработки, используемые при разработке рудных тел расположенных в прибортовом массиве карьера.

Во второй главе выполнен анализ горно-геологических и горнотехнических условий в местах проведения экспериментальных исследований (месторождения Мурунтау и вскрывающих его карьера Мурунтау и шахты М), способных повлиять на их результаты. Разработана модель путей распространения упругих волн,

возникающих при проведении массовых взрывов в различных частях карьера, до подземных горных выработок, вскрывающих его прибортовые запасы.

В третьей главе обоснованы критерии для качественного проведения экспериментальных исследований, включающие выбор измерительной аппаратуры и возможность подтверждения ее работоспособности до и после проведения техногенных операций, вызывающих колебания горного массива. На основании установленных критериев разработана методика проведения экспериментальных исследований по определению уровней вибраций на поверхностях бортов карьера и подземных горных выработках, расположенных в его прибортовом массиве. Изложены особенности проведенных экспериментальных исследований уровней вибрации поверхностей горных выработок в районе разработки прибортовых запасов карьера.

В четвертой главе представлены результаты экспериментов при проведении серий массовых взрывов в различных частях карьера Мурунтау и работе мощного экскаватора. На их основании разработаны математические зависимости, позволяющие рассчитывать скорости колебания частиц участка борау карьера, в месте наиболее близко расположенном от подземных горных выработок, например портала штольни и по их значениям рассчитать скорости колебания обнажений подземных горных выработок. Изложен метод оценки устойчивости подземных горных выработок в прибортовом массиве карьера при комбинированной разработке рудных месторождений, позволяющей вычислить коэффициент запаса устойчивости горных выработок, на основании которого определяется возможность корриектировки параметров техногенных операций, проводимых в карьере.

Описание работы

Отработка прибортовых запасов карьера в подавляющем большинстве случаев предусматривает вскрытие рудной залежи штольней, портал которой расположен в борту карьера, и наличие подземных горных выработок, удаляющихся от борта карьера. При этом подземные горные выработки могут находиться в зонах, с различающимися между собой горно-геологическими условиями. Первая зона - зона, сформированная в результате упруго-пластических деформаций, возникающих при взрыве на бермах карьера. Размер этой зоны зависит от параметров взрывных работ. Во второй зоне по мере удаления от борта карьера влияние техногенных нагрузок уменьшается, а характеристики горногеологических условий района приближаются к первоначально сложившимся в данном регионе.

На рисунке 1 представлена модель воздействия гравитационных и тектонических сил на подземные горные выработки в зависимости от их удаленности от борта карьера

Рис 1 Модель расположения подземных горных выработок при разработке прибортовых запасов карьера

1 - горный массив; 2 - контур карьера; 3 - отвал породы; 4 - геологический разлом; 5 - условное направление влияния горного давления; 6, 7, 8 - подземные очистные блоки; 9 - условное направление действия тектонических нагрузок.

Установлено, что портал штольни и подземные горные выработки, приближенные к борту карьера, находятся в зоне нарушенное™ первоначальных горно-геологических условий, зависящей от мощности проводимых взрывных работ, физико-технических характеристик пород, природных явлений и т.п.

Значения действующих напряжений могут переориентироваться с учетом направления напряжений, возникающих под действием тектонических сил, которые удобно характеризовать углом, образованным с направлением стороны света, и углом наклона к горизонтальной или вертикальной плоскости. При этом величина и направление результирующего действия наибольших главных действующих напряжений определяется с использованием аппарата векторной алгебры.

Активное ведение горных работ связано с формированием динамических сил, изменяющихся во времени настолько быстро, что вызывает необходимость учитывать силы инерции на поверхностях горных выработок, в результате действия которых значения первоначально сложившихся напряжений изменяются как по величине, так и по направлению. При этом перераспределение напряжений носит неравномерный характер и отличается наличием зон повышенных и пониженных сжимающих напряжений, а так же, в ряде случаев, возникновением зон растягивающих напряжений.

Динамические нагрузки, действующие на горные выработки, формируются упругими волнами, возникающими в процессе ведения работ, вызывающих колебания горного массива, а изменение их параметров зависит от горногеологических условий на маршрутах распространения.

Особенностью модели распространения упругих волн, возникающих при ведении взрывных работ в карьере, является расположение взрываемых блоков по отношению к горным выработкам, используемым для отработки прибортовых запасов. Взрываемые блоки могут располагаться в горизонтальных плоскостях, находящихся выше, на уровне или ниже портала штольни, и подземных выработок. При этом упругие волны распространяются по всей сферической поверхности карьера и достигают подземных горных выработок, проходя различные расстояния. Каждый из маршрутов упругих волн, распространяющихся по горному массиву, находится в различных горно-геологических условиях, влияющих на скорость прохождения и затухания упругой волны.

На рисунке 2 представлена модель распространения упругих волн, возникающих при проведении взрывных работ в карьере, по его бортам и по дну.

6 7 9 8 Ю 11 12

\х \_2 \_3 \_4 \ 5

Рис 2 Модель распространения упругих волн, возникающих при проведении массовых взрывов в карьере 1 - поверхность карьера, 2 - борт карьера, 3 - дно карьера, 4 - дорога для движения карьерного транспорта, 5 - портал штольни, вскрывающей рудные залежи в прибортовом массиве карьера; 6 - взрываемый блок, находящийся на горизонте выше портала штольни; 7 - взрываемый блок, находящийся на горизонте портала штольни; 8 - взрываемый блок, находящийся на горизонте ниже портала штольни; 9 — маршрут движения упругих волн от места взрыва до дна карьера; 10 - маршрут движения упругих волн по бортам карьера от места взрыва до портала штольни; 11 - маршрут движения упругих волн по дну карьера; 12 - маршрут движения упругих волн от дна карьера до портала штольни.

Экспериментальные исследования процесса формирования колебаний обнажений подземных горных выработок при воздействии на горный массив силовыми импульсами, возникающими при ведении горных работ, проводились на месторождении Мурунтау (республика Узбекистан).

Месторождение Мурунтау расположено в пределах герцнского геосинклинального пояса Южного Тянь-Шаня в наиболее древних осадочно-метаморфических образованиях этого пояса. Главными разрывными нарушениями являются Южный, Структурный и Северо-Восточный разломы.

Рудная зона имеет сложную морфологию и представлена окварцованными слабослоистыми разновидностями сланца, в значительной мере подверженных изменениям под воздействием инфильтрационных процессов. Зона имеет субширотное простирание и падает на юг под углом 35-50°.

Месторождение вскрыто карьером Мурунтау и центрально сдвоенными стволами шахты «М», 1 Главный и 1-1.

Ситуационный план карьера Мурунтау представлен на рисунке 3.

Рис 3 Ситуационный план карьера Мурунтау

Вскрытие месторождения карьером осуществлялось траншеями внутреннего заложения, четыре из которых (две на западной и две на юго-западной части борта) предназначены для движения технологического автотранспорта. Проектные размеры карьера: длина 3,5 км; ширина - 2,5 км, глубина - 560 м. Ширина рабочих площадок на рудных уступах 90-100 м, на вскрышных уступах - 50 - 70 м. Ширина автомобильных траншей принята равной 30 м при уклоне до 8°.

В горном массиве восточного борта карьера Мурунтау расположены подземные выработки шахты М, которые планируется использовать для разработки прибортовых запасов (рисунок 4).

Рис 4 Аксонометрический план геологоразведочной шахты «Мурунтау»

1 - поверхностный комплекс шахты М; 2 - эксплуатационный ствол 1 Гл;

3 - вентиляционный ствол 1-1; 4 — восстающие; 5 - нарезные выработки подземного очистного блока; б — борт карьера Мурунтау.

Сечение ствола 1 Главный S = 39,6 м2, ствола 1-1 S = 28,3 м2, глубина каждого из стволов 580 м, проектное сечение квершлагов S = 5,0 м2. Крепление квершлагов и штреков - торкрет бетоном, штанговой, арочной и металлической крепью с деревянными и железобетонными затяжками, на некоторых участках крепление отсутствует.

Проветривание горных выработок шахты «М» осуществляется по центрально-сдвоенной схеме вентиляции нагнетательным способом.

Проходка горных выработок осуществляется буровзрывным способом. За одну отпалку взрывается около 30 кг ВВ, за смену ~ 150 кг ВВ. Доставка горной массы от забоя до ствола осуществляется электровозами в вагонетках емкостью 2 м3.

Массовые взрывы в карьере Мурунтау производятся раз в неделю, по субботам. К этому времени обычно подготавливают (обуривают и заряжают) от 4 до 7 блоков в различных частях карьера. Количество скважин в блоке варьируется от 100 до 350. Глубина скважины составляет 15-18 м. В качестве взрывчатого вещества используют Нобелан 2080, Нобелит 2030 и Игданит. За один массовый взрыв взрывается от 300 до 1500 тонн (в среднем 600 тонн) ВВ.

Экспериментальные исследования вибрационных характеристик обнажений горных выработок является одним из способов контроля подвижности участков горного массива, и проводятся для анализа данных о степени влияния динамических нагрузок, возникающих в процессе ведения горных работ на

напряженно-деформируемое состояние (НДС), и определения динамики развития НДС. При этом качество экспериментального материала, полученного в результате физических измерений, проводимых в условиях действующего производства, напрямую влияет на точность и обоснованность выводов, по которым разрабатываются и внедряются мероприятия для предотвращения аварийных ситуаций.

В результате проведенных исследований по определению скорости колебания обнажений подземных горных выработок установлено, что сейсморегистрирующая аппаратура, широко применяемая при геофизических исследованиях плохо приспособлена для работы в специфических условиях действующего горного предприятия. Установлены основные требования, предъявляемые к аппаратуре для проведения исследований в рудничных условиях:

- Регистрировать колебания участков борта карьера и обнажений подземных горных выработок в широком диапазоне спектров амплитуд и частот, возникающих при естественных и технологических процессах;

- Иметь возможность автономной работы в подземных горных выработках и на бортах карьера в различных его частях в течение длительного времени (более 48 часов);

- Представлять данные в виде таблиц и вибродиаграмм;

- Быть простой в установке датчиков на горизонтальных и вертикальных наклонных поверхностях;

- Быть защищенной от воздействия внешних факторов, таких как температура, влажность, запыленность и т.п.

Автором разработана методика определения области применения виброметра для измерения параметров вибрации горного массива в открытых и подземных горных выработках и оценена возможность применения виброметра анализатора спектра УЗ-ЯТ для подобных работ. Согласно ее положениям проведены экспериментальные исследования для сравнения показаний виброметра анализатора спектра УЗ-ЯТ с показаниями сейсмостанции Дельта-геон 2 и измерителем шума и вибрации ВШВ-003 при фиксации ими колебаний поверхности, создаваемой искусственным путем. Вибрацию инициировали за кирпичной стеной толщиной 20-25 см (здание диспетчерской на северном борту карьера Мурунтау).

Месторасположение датчиков в помещении диспетчерской и места возбуждения вибрации представлены на рисунке 5.

В качестве генератора вибрации использовался стальной цилиндр диаметром 40 мм, длинной 980 мм и массой 9,6 кг, сбрасываемый с высоты 1,5 м на бетонную отмостку. Расстояние от центра размещения датчиков вибрации изменялось от трех до семи метров.

¿А

Рис 5 Схема месторасположения датчиков в помещении диспетчерской и места возбуждения вибрации 1 - сейсмостанция Дельта-геон 2; 2 - датчики СМ-3, измеряющие уровни колебаний по трем взаимно перпендикулярным осям (X, У - горизонтальная плоскость, Ъ - вертикальная плоскость); 3- виброметр УЗ-ЯТ; 4 -вибропреобразователь АР-38, измеряющий уровни колебаний по трем взаимно перпендикулярным осям (X, У - горизонтальная плоскость; Ъ - вертикальная плоскость); 5 - ноутбук, подключенный к сейсмостанции; 6 - измеритель шума и вибрации ВШВ-3; 7 - датчик измерителя шума и вибрации; 8 - 15 - места возбуждения вибрации; 16 - стена диспетчерской.

Образцы сейсмодиаграммы и вибродиаграммы представлены на рис 6 и 7.

I г.1>р\г-11лоло1 -чь "• •

» рта«* с* с* ® ♦ —• -

! • 05 ва ь. ьг >•

¡ш

_^

-___

Рис 6 Сейсмодиаграмма результатов эксперимента по сравнению показаний приборов, записанная сейсмостанцией Дельта-геон 2

Рис 7 Вибро диаграмма результатов эксперимента по сравнению показаний приборов, записанная виброметром анализатором спектра УЗ-ЯТ В результате экспериментов установлен коэффициент пересчета показаний виброметра анализатора спектра УЗ-КГ и сейсмостанции Дельта Геон 2, составляющий 5,2 мкВ/дБ.

При проведении натурных экспериментов в карьере и подземных выработках, выбор участка для размещения измерительной аппаратуры производился исходя из условия отсутствия видимых трещин, слоистости, вкраплений других минералов. На поверхности площадки выбранного участка наносили координаты мест размещения калибровочного оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры.

Для оценки достоверности результатов исследования перед проведением эксперимента и после его завершения производились контрольные калибровочные измерения. Для этой цели на расстояние 1 м от измерительного штыря размещали контрольный штырь. Контрольные измерения производились путем регистрации повторяемых параметров импульса, искусственно создаваемого на контрольном штыре колибратором, до и после проведения эксперимента. Несовпадение параметров вибрации контрольных измерений после массового взрыва свидетельствовали о необходимости выявления причин расхождения.

До и после проведения технологических операций в карьере и подземных горных выработках проводилась запись параметров естественной (фоновой) вибрации массива.

В качестве примера, в таблице 1 приведены технические характеристики взрыва и зафиксированные скорости колебания обнажений подземной горной выработки.

таблица 1

Характеристики взрывов и результаты измерения скорости колебания обнажений подземной горной выработки

(26.03.2011) (прибор размещен в шахте М горизонт+128м)

№ блока горизонт о Ь", г ж 5 3 ) ш > О. 8 х СО одновременн о взорванных о и О § * М 1 - О. О. с - п X : Э Щ О 5 от места взрыва до охраняемого участка горной фоновой вибрации, по результирую щего вектора виброскорос

нег +4 35 159 8 1332 2020 2580 60 0 X-59,3 У-58,3 Ъ-62,7 -

40 +3 90 110 148 9179 0 40 110 0,013

47 +4 35 151 241 1374 92 1350 1490 0,0016

51 +3 75 140 758 1279 62 2120 2470 0,0008

52 +3 00 131 521 1195 65 1310 1730 0,0015

Параметры колебаний горного массива (виброскорости (а), виброперемещения (б)) от серии массовых взрывов представлены на диаграммах на рис. 9.

Условные обозначения

- ось X

- ось У

Рис 9 Зависимость значений виброскорости и виброперемещения от частоты колебания горизонта +128 при проведении массовых взрывов На рисунке 10 представлен вектор направления виброперемещения массива, а в таблице 2 приведены значения векторов, характеризующих динамические силы.

рис 10 Направление вектора виброперемещения массива

таблица 2

Параметры вектора, характеризующих динамическую силу

виброускорени е, дБ виброускорени е, мм2/с виброскрост ь, м/с виброперемещени е, мм углы между вектором и осями

а Р Г

85,5 185 0,013 0,07 52 О 45 О 67 О

Прогнозные расчеты скорости колебаний обнажений подземных горных выработок предложено проводить по зависимости учитывающей методы управления энергией взрыва и его мощность и особенности распространения упругих колебаний по сферической поверхности карьера.

тг — V г г У^юп'в -КЛ

и, п. = каесм • и^ ■ —--е , м/с (1)

привед

где ит - скорость колебания обнажений подземных горных выработок, м/с ^сейсм - коэффициент учета сейсмических свойств горных пород идет - скорость детонации ВВ, м/с К мл - коэффициент заполнения скважин ВВ О - Объем ВВ во взрываемом блоке, м3

'ср.п - средне приведённое расстояние проходимое упругими волнами от места взрыва до охраняемого участка на борту карьера, м

Я - кратчайшее расстояние по горному массиву от места проведения взрыва до участка подземных горных выработок ,м

г - кратчайшее расстояние от охраняемого участка на борту карьера до охраняемого участка в подземных горных выработок, м

(2)

п - количество учитываемых маршрутов распространения волн 1„ - расстояние от места взрыва до охраняемого участка на борту карьера по маршруту распространения упругих волн (в частности через дно карьера, по линиям сечения поверхностей карьера, плоскостью проходящей чрез места взрыва и охраняемого участка на борту карьера) , м

Ку -коэффициента учета особенностей затухания упругих колебаний в горном массиве

*.=-1п_ и-

л

" (3)

' привед

Определение значения Ксейсм при проведении массовых взрывов в карьере производится по формуле:

(4)

где — скорость смещения грунта на охраняемом участке борта карьера, определяется экспериментально по разработанной методике [8], м/с;

Таким образом прогнозные расчеты проводятся в две стадии. На первой стадии определяются значения скорости колебания охраняемого участка на борту карьера, а затем используя их значения производится расчет скорости колебания обнажений подземных горных выработок.

Такой подход позволяет значительно упростить процесс определения числовых значений коэффициентов Ксейс»! и Кпр, а так же при необходимости установить скорость смещения грунта в разных частях карьера при проведении в нем массовых взрывов.

Сравнение значений скорости колебания обнажений подземных горных выработок измеренных при проведении натурного эксперимента со значениями, рассчитанными по зависимости (1) показали удовлетворительную сходимость результатов.

Оценка степени устойчивости подземных горных выработок проводится исходя из значений предельно-допустимых напряжений на поверхностях обнажений по зависимости:

__> ¡г («■>

— норм.зап. V /

где: апред - установленное предельное значение напряжения на обнажении поземной горной выработки, Па;

Отек Огра, Один - напряжения формирующиеся на обнажении подземной горной выработки под воздействием тектонических, гравитационных и динамических сил, Па;

Кнорм зап. - коэффициент запаса принимаемый из нормативных документов.

Преобразуя зависимость (5) и приравнивая правую и левую ее части можно установить значение предельно-допустимого напряжения от действия динамических сил ст^и,.„,„:

ст.,

-к„+0,Па (6)

пред

пр*д.дин. тг

ипрч

Отношение значения Стпреддин к значению рассчитанного фактического напряжения Офакт представляет собой коэффициент отвечающий за степень влияния динамических нагрузок на напряженное состояние обнажений подземных горных выработок.

Значение Оф^ можно рассчитывать по зависимости, приведенной в инструкции по учету сейсмических воздействии при проектировании горных транспортных тоннелей ВСН 193-81

О",

факт

, Па

Где Пфает - фактическое значение напряжения горных пород, Па;

ифакт - измеренное или рассчитанное по формуле (1) значение скорости колебания обнажений подземных горных выработок; Е — модуль деформации Юнга, Па; (1 - коэффициент Пуассона; у - объемный вес породы, Н/м3; § - ускорение силы тяжести, м/с2.

Преобразуя формулу (7) и вводя значение предельного напряжения горных пород можно определить значение предельно-допустимой скорости колебаний обнажений подземных горных выработок.

Метод оценки устойчивости подземных горных выработок в прибортовом массиве карьера при комбинированной разработке рудных месторождений реализуется в следующей последовательности:

1) Определяется физико-механические свойства горных пород;

2) Оцениваются горно-геологические условия и установливаются значения нагрузок возникающих под действием гравитационных и тектонических сил;

3) Определяются значения предельно-допустимого напряжения в районах поверхностей обнажений подземных горных выработок исход из прочностных свойств горного массива;

4) Проводится комплекс экспериментальных исследований по определению вибрации участка борта карьера и на поверхностях обнажений подземных горных выработок при проведении массовых взрывов и работе мощной горной технике по разработанной методике [8];

5) Устанавливаются коэффициенты Ксейс„ и Кпр по формулам (3) и (4);

6) Определяются значения коэффициента запаса устойчивости (Кнор„ мл ) по нормативным документам учитывающим степень ответственности сооружений;

7) Определяется предельно-допустимые динамические напряжения от действия динамических нагрузок по формуле (6);

8) Рассчитываются коэффициенты запаса устойчивости подземных выработок по предельно-допустимому напряжению К„ и по предельно-допустимой скорости колебания обнажений подземных выработок Ки:

1-я)

, м/с

(8)

Заключение

Выполненная диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научной задачи «разработка метода оценки устойчивости подземных горных выработок в прибортовом массиве карьера при комбинированной разработке рудных месторождений».

Основные научные результаты, практические выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1 Характеристики колебаний поверхностей горных выработок являются одними из показателей происходящих в горном массиве геодинамических процессов, формирующихся под воздействием сил естественных и техногенных процессов.

2. Параметры вибрации являются одними из основных критериев оценки проявления динамических сил, воздействующих на подземные горные выработки.

3. Упругие волны, возникающие в процессе разрушения горного массива, распространяются по всей условно сферической поверхности карьера и достигают подземных горных выработок, проходя маршруты с различными горногеологическими условиями и расстояниями.

4. Выявленные особенности проведения экспериментальных исследований параметров вибрации обнажений подземных горных выработок в рудничных условиях и разработанный метод определения коэффициента пересчета показаний различных типов аппаратуры применяемой для измерения колебаний позволяет проводить масштабные исследования с одновременным использованием приборов различных типов.

5. Разработанные зависимости позволяют проводить прогнозные расчеты скорости колебания обнажений подземных горных выработок при проведении массовых взрывов в различных частях карьера с учетом метода управления энергией взрыва в карьере, его мощности, особенности распространения упругих колебаний по условно сферической поверхности карьера и отношения кратчайших расстояний от места взрыва до подземной выработки по горному массиву и от борта карьера до подземной выработки, с применением коэффициента учета оссобенностей затухания упругих колебаний в горном массиве.

6. Коэффициент учета сейсмических свойств массива горных пород Ксейсм в разработанной формуле расчета скорости колебания участка борта карьера при массовых взрывах, определя как отношение произведения приведенного расстояния и измеренной скорости колебания частиц грунта к произведению скорости детонации взрывчатого вещества, объема заряженного взрывчатого вещества и коэффициента заполнения скважины.

7. Уровни вибрации горного массива вблизи работающего мощного карьерного экскаватора сопоставимы с уровнями вибрации горного массива, возникающей при массовом взрыве (для условий месторождения Мурунтау внедрение ковша емкостью 26 мЗ в раздробленную горную породу и сброс горной породы массой 35 т в кузов карьерного самосвала вызывают вибрацию на борту

20

карьера, аналогичную вибрации, вызываемой взрывом ВВ Нобелан2080 массой 270 т на расстоянии 1200 м). .

8. Разработанный метод предусматривает производить оценку устойчивости подземных горных выработок в прибортовом массиве карьера при комбинированной разработке рудных месторождений с помощью коэффициента запаса устойчивости подземных выработок по предельно-допустимому напряжению К<, определяемому как отношение предельнодопустимого значения напряжения к его фактическому значению, и по предельно-допустимой скорости колебания обнажений подземных выработок Кц определяемой как отношение предельно-допустимой скорости колебания обнажений горной выработки к ее факстическому значению

9. Разработанный метод оценки устойчивости подземных горных выработок в прибортовом массиве карьера при комбинированной разработке рудных месторождений практически без корректировки может быть использован на горнодобывающих предприятиях, при возникновении необходимости определения степени воздействия технологических процессов, связанных с добычными работами, на состояние горных выработок и прогноза возникновения нестандартных, в том числе аварийных, ситуаций.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

- в изданиях рецензируемых ВАК Минобрнауки России:

1 Мальский К.С. Обоснование целесообразности отработки прибортовых запасов карьеров. // Маркшейдерия и недропользование. 2010 - №3 - С 7 - 8.

2 Мальский К.С. Методические основы исследования геодинамических процессов на участках горного массива с применением виброизмерительной аппаратуры. // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012 - №10 - С. 256-259.

3 Мальский К.С. Оценка параметров вибрации, возникающей в горном массиве при работе карьерного экскаватора / Снитка Н.П., Халикулов Э.Х., Мальский К.С. // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012 - №9 -С. 261-265.

4 Мальский К.С. Выбор измерительной аппаратуры для исследования геодинамических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых / Снитка Н.П., Халикулов Э.Х., Мальский К.С. // Перспективы науки. 2012 № 8. С 11-14

- в прочих изданиях:

5 Мальский К.С. Особенности формирования нагрузок, воздействующих на горные выработки при разработке подземным способом рудных залежей, оставшихся за пределами карьера. / Трубецкой К.Н., Титов Л.М., Мальский К.С. // Тез. докл. X Международной конференции «Новые идеи в науках о земле», М: РГГРУ, 2011 -345-с

6 Мальский К.С. Оценка качества информации о вибрации бортов карьера при проведении массовых взрывов. / Трубецкой К.Н., Мальский К.С. // Тез. докл. VII Международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках разведки и разработки полезных ископаемых», М:РГГРУ, 2012-242с.

7 Патент РФ на полезную модель №115007 - Устройство для измерения смещения поверхностей горных выработок. / Трубецкой К.Н., Мальский К.С.

8 Мальский К.С. Методические указания по проведению измерений уровней вибрации участка горного массива и статистической обработки полученных экспериментальных данных. // Фонды ВИНИТИ №92-В2012. М. 2012 - 34 с.

9 Мальский К.С. Определение вибрационных характеристик прибортового массива карьера при извлечении запасов из его бортов // Тез. докл. VI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые - наукам о Земле», М: РГГРУ, 2012 - 373 с.

10 Мальский К.С. Особенности формирования физических полей, воздействующих на горный массив карьера, в процессе отработки его прибортовых запасов подземным способом / Мальский К.С., Кочетов A.B. П Тез. докл. Международной научно-практической конференции «Инновация 2011»,Ташкент: Ташкентский государственный технический университет, 2011 - 342 с.

11 Мальский К.С. Оценка возможности применения виброметра анализатора спектра Ассистент V3-RT для исследования геодинамических процессов / Снитка Н.П., Халикулов Э.Х., Мальский К.С., Умаров Ф.Я. // Горный вестник Узбекистана. 2012-№4. С 90-94.

12 Мальский К.С. Определение параметров вибрации участка борта карьера при погрузке горной массы экскаватором / Снитка Н.П., Халикулов Э.Х., Мальский К.С., Умаров Ф.Я. //Горный вестник Узбекистана 2012 - №3. С 28-29.

13 Трубецкой К.Н., Мальский К.С. Заявка на изобретение № RU 2011 149 508 А. Способ контроля состояния горных выработок. Промышленные образцы №8 -2012.

Подписано в печать: 22.03.2013 Тираж:80 экз. Заказ № 300 Отпечатано в типографии "Реглет" 119526, г. Москва ул. Бауманская, дЗЗ, стр. 1 8 (495) 979-96-99, www.reglet.ru