Разработка технологии выемки рудных залежей с учётом закономерности формирования параметров вторичного напряжённо-деформированного состояния горного массива

Шараев, Дмитрий Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка технологии выемки рудных залежей с учётом закономерности формирования параметров вторичного напряжённо-деформированного состояния горного массива
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологии выемки рудных залежей с учётом закономерности формирования параметров вторичного напряжённо-деформированного состояния горного массива"

На правах рукописи

□□34572В1

ШАРАЕВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВЫЕМКИ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ С УЧЁТОМ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВТОРИЧНОГО НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

ГОРНОГО МАССИВА

Специальность 25.00.22. - "Геотехнология (подземная, открытая и строительная)"

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 2 ПЕ!' 2009

Екатеринбург - 2008

003457261

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Осинцев Валерий Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Корнилков Михаил Викторович

кандидат технических наук Дик Юрий Абрамович

Ведущая организация - ООО «Специализированный

проектный институт «СУБР-проект»

Защита диссертации состоится « » 2008 г. в часов на

заседании диссертационного совета '212 ¿¿¿> С2 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, ауд. 2142.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «УГГУ».

Автореферат разослан « ¿V » гищря 2008 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

В.К. Багазеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С увеличением глубины горных работ до 800-1500 м и более на шахтах СУБРа обострилась проблема эффективного и особенно безопасного ведения горных работ в связи с ростом проявлений горного давления, характеризующихся значительным снижением устойчивости массива горных пород и возможностью возникновения горных ударов - наиболее опасной формы динамического разрушения массива. На шахтах, где ежегодно регистрируется свыше 1000 сейсмических явлений, с энергией, достигающей 108 Дж, проблемы горных ударов серьёзно осложняют технологию добычи, снижают эффективность и безопасность отработки месторождения.

В настоящее время на СУБРе применяются следующие системы разработки: камерно-столбовая, камерно-целиковая с закладкой и система слоевого обрушения. Область применения высокопроизводительной камерно-целиковой системы разработки с закладкой ограничена мощностью рудного тела до 6-8 м. Там, где мощность превышает 8 м, месторождение отрабатывается системой слоевого обрушения, технико-экономические показатели которой сегодня не могут удовлетворять предприятие. В то же время прогноз распределения запасов руды по мощности показывает, что свыше 70 % запасов месторождения до глубины 1200 м сосредоточено на участках мощностью более 9 м, что предопределяет необходимость изыскания новых технических решений, позволяющих вести отработку этих запасов высокоэффективной технологией.

В связи с этим обоснование новой эффективной технологии разработки североуральских бокситовых месторождений на основе двухстадийной отработки месторождения с искусственной кровлей, позволяющей применить камерную систему разработки на участках мощностью свыше 8 м,- актуально для СУБРа и других месторождений, отрабатываемых в удароопасных условиях.

Объект исследований: технология выемки рудных залежей в удароопасных условиях на основе применения камерных систем разработки с искусственной кровлей.

Предмет исследований: закономерности формирования параметров вторичного напряжённо-деформированного состояния горного массива и методы их изучения.

Цель работы: разработка технологии выемки рудных залежей в удароопасных условиях, обеспечивающей максимальное снижение уровня действующих напряжений в массиве горных пород за счёт двухстадийной отработки рудного тела камерными системами разработки под искусственной кровлей.

Идея работы заключается в обосновании технологии разработки ударо-опасных месторождений на основе снижения уровня действующих напряжений в массиве горных пород за счёт опережающей отработки рудного тела в висячем боку.

Основные задачи исследований:

- обобщение опыта применения камерных систем разработки при отработке месторождений, склонных к динамическим проявлениям горного давления, и выявление приоритетных направлений их совершенствования;

- оценка степени устойчивость потолочины различной формы на модели из эквивалентных материалов в лабораторных условиях;

-- разработка технологии создания искусственной кровли;

- разработка технологии выемки рудных залежей с учётом закономерности формирования параметров вторичного напряжённо-деформированного состояния горного массива в условиях СУБРа.

Методы исследований включают анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта конструирования систем разработки удароопасных месторождений, аналитические исследования искусственной кровли и моделирование на эквивалентных материалах, исследования напряженно-деформированного состояния горного массива, производственные эксперименты, промышленные исследования новой технологии ведения очистных работ.

Основные защищаемые положения:

- опережающая отработка рудного тела со стороны висячего бока путём предварительной выемки подкровельных запасов рудного тела снижает уровень действующих напряжений на отрабатываемом участке в связи с перераспределением горного давления в горном массиве;

- деформации нижней и верхней поверхностей искусственной кровли одинаковы, и их величины не зависят от размеров камер и целиков, а определяются соотношением площади целика и приходящейся на него площади налегающих пород;

- отработка основных запасов руды камерами под искусственной кровлей позволяет исключить затраты на крепление кровли в камерах, снизить разубо-живание рудной массы, за счёт увеличения камерных запасов снизить объём горноподготовительных работ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- сформулированы необходимые требования к ударобезопасной технологии, которые помимо горно-геологических факторов и технологических требований учитывают геомеханический режим нагружения горных пород;

-установлены зависимости коэффициента пригрузки со стороны вышележащих слоев от относительной и суммарной мощности;

- в создании метода имитационного моделирования геомеханических и технологических задач, учитывающих особенности отработки месторождений камерными системами с искусственной кровлей;

- в разработке методических положений по расчёту параметров искусственной кровли, позволяющих определить зависимость величины мощности искусственной кровли от пролёта очистной камеры и сопротивления закладочного материала растяжению на изгиб.

Достоверность научных положений, выводов и результатов, изложенных в диссертации, обеспечивается надежностью и представительностью исходных данных; сопоставимостью результатов аналитических расчётов и результатов моделирования на эквивалентных материалах; положительными результатами опытно-промышленной проверки разработанных научно-технических решений.

Практическое значение работы заключается в возможности отработки участков месторождений СУБРа мощностью свыше 8 м высокопроизводительной камерной системой разработки на основе применения двухстадийной отработки месторождения при создании искусственной кровли, повышении безопасности работ в удароопасных условиях в результате снижения величины действующих напряжений.

Реализация работы:

Камерная система разработки под искусственной кровлей прошла широкую промышленную проверку на шахтах СУБРа и позволила по сравнению с существующей технологией в два с лишним раза увеличить производительность забойного рабочего. Наблюдения за уровнем удароопасности в районе отработки опытных блоков не выявили запредельных условий для возникновения динамических нагрузок, что позволяет сделать вывод о повышении уровня безопасности ведения горных работ.

Результаты исследований и основанные на них рекомендации переданы в проектный институт "СУБР-проект" и использованы при составлении проектной документации для условий СУБРа, а также используются в учебном процессе на горно-технологическом факультете Уральского государственного горного университета.

Разработанный для горно-геологических условий месторождений СУБРа вариант создания искусственной кровли арочной формы камерами по восстанию в 2,3 раза повышает интенсивность работ и на 20-25 % снижает объём закладки.

Личный вклад автора:

- анализ и обобщение теории и практики отработки месторождений, характеризующихся удароопасностью, камерными системами разработки;

- постановка задачи по составлению геомеханической модели разрушения пород в статической и динамической формах, позволяющей прогнозно оценить удароопасность месторождения и определить основные требования к горной технологии, обеспечивающие максимальное снижение удароопасности;

-разработка новых технологических схем очистной выемки, обеспечивающих эффективность и безопасность ведения горных работ.

Апробация работы:

Результаты, основные положения и выводы докладывались и обсуждались на научном симпозиуме "Неделя горняка" (Москва, 2008 г.), на конференции "Уральская горнопромышленная декада" (Екатеринбург, 2008 г.).

Материалы диссертации вошли в учебное пособие с грифом УМО Отработка рудных месторождений в удароопасных условиях / В.А. Осинцев, В.М. Беркович, Д.В. Шараев; Урал. гос. горный ун-т. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2008. - 82 с.

Публикации: по результатам выполненных исследований опубликовано 3 работы, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 73 наименований и содержит 101 стр. машинописного текста, 31 рисунок, 15 таблиц.

Работа выполнена в Уральском государственном горном университете на кафедре разработки рудных месторождений и является продолжением исследований кафедры по темам «Расчёт конструктивных параметров и элементов крени столбовой системы разработки с однослойной выемкой и креплением» и «Расчёт конструктивных параметров и элементов крепи столбовой системы разработки с креплением и с учётом неравномерности оруденения».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Изыскание путей повышения эффективности отработки североуральского бокситового месторождения

Развитие подземной добычи руд в перспективе, как в нашей стране, так и

за рубежом, связано с переходом на большие глубины. С углубкой ведения горных работ горное давление возрастает и вероятность возникновения горных ударов увеличивается.

Вопросам предотвращения и профилактики горных ударов на рудниках посвятили свои труды следующие учёные: М.И. Агошков, В.Р. Имеиитов, И.М. Петухов, Я.А. Бич, И.М. Батугина, Д.М. Бронников, Б.Ш. Винокур, ILA. Муратов, Е.И. Шемякин, М.В. Курленя, Г.И. Кулаков, Е.И. Микулин, Ю.А. Дик, Б.П. Дробот, Е.С. Горев, В.И. Дорошенко, В.А. Колесов и др.

В настоящее время достаточно детально изучен круг геологических и геомеханических факторов, влияющих на выбор технологии очистных работ как в обычных, так и в удароопасных условиях. К их числу относятся следующие факторы:

- морфология рудных тел (угол падения, мощность, форма залегания);

- прочностная и деформационная характеристики руд и вмещающих пород;

- структурно-тектонические особенности рудных тел и нородных массивов;

- параметры тензора напряжений нетронутого массива горных пород;

- направление действия главных напряжений в массиве;

- глубина залегания рудных тел.

Комплексным влиянием перечисленных факторов определяется как выбор соответствующего класса систем подземной разработки месторождения, так и параметры конструктивных элементов самой системы разработки (площадь устойчивых обнажений кровли, размеры целиков и потолочин, конструктивные особенности схемы подготовки рудных тел к очистной выемке, нормативная прочность закладки выработанного пространства и т.д.). Важнейшим элементом при любой системе разработки является выбор способа управления горным давлением, который в технологическом плане определяется применяемым способом управления подработанным массивом (частичное или полное обрушение, закладка выработанного пространства, поддержание подработанного массива на целиках).

Поскольку даже такое соблюдение указанных требований не исключает формирования зон и участков повышенной концентрации напряжений техногенного происхождения, создающих опасность возникновения горных ударов, разработаны и проводятся специальные мероприятия по уменьшению этой опасности, а именно: опережающая отработка защитных споев (залежей), создание в краевых частях породных и рудных массивов защитных зон, осуществляемых камуфлетным взрыванием, бурением сплошных разгрузочных щелей или комбинацией указанных способов в различных сочетаниях.

В практике исследований на удароопасных месторождениях происходит постоянное накопление экспериментального материала, как подтверждающего, так и дополняющего основные детали механизма разрушения пород в подзем-

ных условиях. Особый интерес в данном случае представляют результаты экспериментальных исследований влияния горнотехнических условий разрабатываемых месторождений на формы и интенсивность разрушений пород в горных выработках, проходимых и эксплуатируемых в самых разнообразных горногеологических условиях.

Под комплексным влиянием различного рода факторов разрушения пород происходят в качественно различных (статической или динамической) формах. Статическая форма характеризуется спокойным, растянутым во времени разрушением пород в виде образования заколов, шелушения и осыпания пород по контуру выработок, обрушений пород кровли, пластического деформирования. К динамической форме относятся протекающие практически мгновенно разрушения пород при стреляниях, микроударах, толчках, горных ударах.

Профессором И.М. Петуховым выявлено, что разрушение пород при переходе их в предельное состояние происходит под влиянием двух основных факторов: уровня напряжений в массиве горных пород и условий нагружения. Уровень напряжений в массиве характеризует степень их приближения к пределу прочности пород и выражается известным критерием:

К = (1)

аок

где огоах - максимальное главное напряжение, действующее в массиве; а^ -предел прочности пород на одноосное сжатие.

Условия нагружения определяются сложным взаимодействием сил горного давления, возникающих в массиве под влиянием сдвижений подработанных пород, в результате проведения горных работ могут вызвать напряжение "жёсткое" или "мягкое", которые характеризуются следующими соотношениями:

Сн>0; (2)

вн<С, (3)

где 0„ - жёсткость нагружающей системы; С - жёсткость нагружаемой конструкции.

В выражениях (2) и (3) роль нагружающей системы выполняет массив горных пород, окружающий горные выработки; нагружаемыми конструкциями являются элементы горных выработок (различного рода обнажения, целики, потолочины, сопряжения выработок и др.).

Выражение (2) характеризует режим "жёсткого" нагружения, выражение (3) - "мягкого". При "жёстком" режиме материал нагружаемой конструкции (в нашем случае - горные породы) в запредельной области (ниспадающая ветвь кривой в осях напряжение - деформация) разрушается спокойно, в статической форме. При "мягком" нагружении переход горных пород в предельное состояние происходит в форме бурного динамического разрушения (стреляния, толчки, микроудары, горные удары).

Анализ структуры геомеханической модели разрушения пород в статиче-

ской и динамической формах, отражающей комплексное влияние уровня напряженности, условий нагружения и скорости приложения нагрузки, приведён в табл. 1.

Таблица 1

Структура геомеханической модели разрушений пород

Характеристика массива Форма разрушения

Статическая Динамическая

1 2 3

Уровень напряжённости а а о — >0,8 о +До —-—>0,8

Характер нагружения: "жёсткое" "мягкое" в <в

Скорость приложения нагрузки и = 0, о >и = СОМ р " иг < ип - СОП5[ 1} <о р » ир < О, Ф сог^

примечание. сст - статические напряжения; Дад1Ш - напряжения динамической нагрузки; и„ - скорость приложения нагрузки; ир - возможная скорость пластического деформирования нагружаемой конструкции.

Характерным для всех форм разрушения является высокий уровень напряженности, близкий к пределу прочности пород. Разрушения пород в статической форме происходят при любых режимах нагружения, но при малых скоростях нагружения, близких к постоянным и не превышающих скорости возможного пластического деформирования пород под нагрузкой. Разрушение в динамической форме происходит при трёх различных вариантах сочетаний влияющих факторов. Первый вариант - "мягкое" нагружение с постоянной скоростью, превышающей скорость пластического деформирования, второй вариант - "мягкое" нагружение с переменной скоростью под влиянием динамических пригрузок. Для третьего варианта характерен переход от первоначального "жёсткого" нагружения к "мягкому" в результате прихода в сдвижение нагружающей системы и возникновения динамических пригрузок.

Эта модель может быть использована как при предварительной прогнозной оценке удароопасности новых и эксплуатируемых горнодобывающих предприятий, так и при выборе технологических вариантов отработки ударо-опасных месторождений. С горномеханических позиций критериями "мягкости" или "жёсткости" системы служат подвижность или устойчивость подрабатываемого массива горных пород. Подвергающийся активному сдвижению массив по отношению к любому материалу горных конструкций будет выступать в качестве "мягкой" нагружающей системы, а находящийся в состоянии покоя подработанный массив, не создающий условий для притока энергии упругого сжатия в нагружаемую систему, следует оценивать как систему "жёсткого" нагружения для любой конструкции.

Проведенные исследования по составлению геомеханической модели разрушения пород в статической и динамической формах позволили сформулировать необходимые требования к ударобезопасной технологии. Сущность этих требований заключается в том, что при конструировании ударобезопасных систем разработки, кроме горно-геологических факторов (мощность, угол падения, форма залегания рудного тела и др.) и технологических требований (ориентирование забоев по направлению действия максимальных напряжений, общее развитие фронта очистных работ, расположение подготовительных выработок и др.), в первую очередь необходимо учитывать геомеханический режим нагру-жения горных пород.

В конечном итоге при выполнении этих требований конструктивными элементами системы отработки удароопасного месторождения можно влиять на геомеханическое состояние горного массива и снизить тем самым объём необходимых профилактических мероприятий по приведению этого массива в не-удароопасное состояние. Зная причины возникновения статических и динамических нагружений, можно реализовать наиболее благоприятный режим их проявлений, используя технологические приёмы ведения горных работ. Одним из таких приёмов, успешно применяемых на удароопасных месторождениях, является система разработки с жёстким поддержанием подработанного массива на искусственных опорах (твердеющая закладка). Наряду с созданием благоприятного "жёсткого" режима нагружения подобный технический приём в значительной мере снижает или даже ликвидирует условия для возникновения динамических пригрузок и является основой технологии отработки месторождений, склонным к горным ударам.

Рис. 1. Блок-диаграмма пострудной тектоники месторождений Североуральского бокситового бассейна:

1 - битуминозные известняки висячего бока; 2 - рудная залежь; 3 - рифогенные известняки лежачего бока; 4 - битуминозные известняки лежачего бока; 5 - порфирита; 6 - линии тектонических нарушений

Основные положения геомеханической модели были внедрены в сложных горно-геологических и удароопасных условиях североуральских бокситовых месторождений. Рудные тела представлены жилистообразными меридионального простирания и падения на восток под углом 20-35°. Для месторождения

характерно чередование рудных участков мощностью 60-200 м и более с безрудными участками непромышленной мощности.

В регионе североуральских бокситовых месторождений широко развиты дизъюнктивные нарушения с различной амплитудой смещения. Вся площадь разбита на отдельные блоки с амплитудой до 400-500 м (рис. 1). Значительную роль в возникновении горных ударов играет глубина разработки. По состоянию на конец 2008 года на шахтах СУБРа зарегистрировано более 400 динамических проявлений (табл. 2) с разрушением действующих выработок, в том числе удары горно-сейсмического характера с энергией более 108 Дж и интенсивностью в эпицентре около 5 баллов.

Таблица 2

Количество горных ударов, зафиксированных на предприятии

Год Система разработки Вид работ Всего

Камерно-столбовая Слоевого обрушения ЭКСР С закладкой _ _ Подготовительные | Капитальные 1 1

1970-1975 Т976А980 4 4 - 5 1 4 18

26 11 - 16 12 4 69

1981-1985 39 20 - 13 19 9 100

1986-1990 26 3 - И 16 5 61

1991-1995 36 2 - 2 10 2 52

1996-2000 33 - 2 - 7 - 42

2001-2005 23 2 4 - 10 3 42

2006 6 - - - 5 - 11

2007 11 - - - 2 1 14

2008 (10 месяцев) 7 - 1 - 3 - И

Итого 211 42 7 47 85 28 420

Опираясь на опыт мировой горнорудной практики ведения горных работ в удароопасных условиях, автор разработал и предложил к применению на СУБРе вариант системы разработки камерной выемки руды под искусственной кровлей из твердеющей закладки (рис. 2).

Выемочный блок подготавливается к очистной выемке системой панельных штреков, пройденных на контакте руды и подстилающих пород. Очистные работы начинаются с выемки и последующей закладки первичных заходок, располагаемых на контакте рудного тела и висячего бока. Выработанное пространство первичных заходок закладывают твердеющей смесыо. Между заход-

ками первой очереди проходят заходки второй очереди с совмещением их кровли с кровлей заходок первой очереди и смещением почвы по высоте относительно почвы заходок первой очереди на величину, определяемую из соотношения

(4)

у:

где к - эмпирический коэффициент, учитывающий пролёт обнажения; у, -плотность закладочного массива, т/м3; [ар]„ - предел прочности пород кровли на растяжение, МПа; у„ - плотность налегающих пород, т/м3; [осж], - предел прочности искусственного массива из твердеющего материала на одноосное сжатие, МПа.

из твердеющей закладки:

I - первичные заходки; 2 - вторичные заходки; 3 - свод естественного равновесия; 4 - выемочные камеры

При этом образованный искусственный массив служит кровлей, которая предназначена предотвратить самообрушение налегающих пород при камерной отбойке основных нижележащих запасов руды и снизить величину уровня дей-

ствующего горного давления.

После набора нормативной прочности твердеющей смесью в заходках отработку основных запасов ведут камерами. Последние располагают через одну таким образом, чтобы их центральные оси совпадали с осями первичных захо-док, а границы камер находились на осях вторичных заходок. При этом уступообразная форма искусственной кровли образует геометрическую поверхность, приближающуюся по своей форме к фигуре свода обрушения.

При отработке рудных тел в удароопасных условиях при неустойчивых породах предложенной системой разработки достигается следующий положительный эффект. Во-первых, повышается безопасность работ, связанная со снижением уровня действующих напряжений за счёт опережающей отработки в висячем боку рудного тела. Во-вторых, увеличение основных камерных запасов и снижение объёма горно-подготовительных работ на единицу продукции повышает эффективность добычи полезного ископаемого. В-третьих, отработка основных запасов камерами под искусственной кровлей позволит исключить затраты на крепление кровли в камерах и снизить разубоживание добываемой руды.

2. Аналитические исследования по оптимизации формы и параметров искусственной кровли

Расчёт необходимой толщины сводчатого несущего слоя (рис. 3) производили по принципу расчёта монолитной сводчатой конструкции в режиме заданной нагрузки. Поскольку монолитные сводчатые конструкции являются статически неопределимыми системами, найти их геометрические параметры непосредственно из расчёта не представляется возможным. Поэтому геометрические параметры сначала принимаем, а затем проверяем расчётом.

Расчёт сводчатого несущего слоя производили по его средней линии. Расчёт выполнен в табличной форме (табл. 3).

Выемка руды под искусственной кровлей камерами, ось которых совпадает с осью камер I очереди, а ширина равна суммарной ширине камер I и II очередей, проходимых в стадии создания искусственной кровли, ведётся под кровлей, представляющей собой слоистую разрезную балку, поэтому необходимо проверить устойчивость образованной шарнирной системой. Проверку производим по формуле Г.Н. Кузнецова (рис. 4), устойчивость шарнирной системы обеспечивается при условии:

где к - безразмерный коэффициент, характеризующий степень концентрации напряжений (к - 0,95); Е, -коэффициент, учитывающий механические свойства породы (£ = 0,04); к„ - коэффициент пригрузки (к„ = 2); / - пролёт камеры, м; Ьи ~ толщина несущего слоя (й„ = 0,9 м (толщина СНС в месте шарнира); осжи -нормативная прочность закладки, (осжн = 400 т-м/м3).

Рис. 3. Сводчатый несущий слон:

1 - условный несущий слой закладки; 2 - сводчатый несущий слой; 3 - граница искусственной кровли; 4 - площадь армирования; 5 - искусственные целики; 6 - участки искусственной кровли подвешиваемые к сводчатому несущему слою армировкой, или рудная мелочь под закладочным массивом

Относительные результаты К суммированию по Симпсону Внутренние усилия в т-м шве основной системы К суммированию по Симпсону Геометрические характеристики швов О

х" ч о г Й £ к* Й г о О VI ■а £ •а £ чэ (О 3 Й г г Р Й Й 2 "ы" я 3 Й г 4 ы н о Ч О о о V) О О и> ^ "Ч £ - о о ¥ 5' -е э г г о -о Е со р

0,087 <_Л оо ы и> "чО О о о о О о о о О о о о о оо -о ОО •«4 О О и» "чО чо ЧС 1л чО р Ъч и-» о о о о о о

0,069 ' ^ р "о оч "О о •рь >•0 р 00 р "ю С/г о "чО Ь4 и) "чО ЧО о N4 о о V© Л. СЛ 1п —^ го Я о р ^ о^ р ^ и> и> ип Оч о о О оо о --4 р "--а СО р 1о ЧО о о и> ЧО 00 о о о ы -и -

0,032 ! 4* О 1л СЛ Л. К) -0 оч "-О ы Оч чО ил сл 1л N4 -Ь- и> "о и> р "чо О 04 чО 00 --4 ЧО О О оо р N4 N4 ЬО О Ы оо О и> р 1л о о ЧО N4 О р 00 ш р 1о о^ ы р "ю СЛ Оч Ох О N4 ОО 0\ о ш 4* К)

о о ю О О a^ -4 .и 00 о о ¿-4 и! -4 ¿ь N4 оо 4^ СЛ 00 к> О и> ¿и Оч -4 О и» Оч СЛ (VI Ы о К) со Ю О Ы оо о о О ОО ЧО -4 р "чО ОО Ь4 р 1л О чо р чо Оч 1о О ОО р 1© ы о "чО ^ р О Оч -и Ь4 о Ъч и> О о и>

р о оо ^л сл ^ -и и) оо и) 4* о\ Ь4 "О 1 и< и> Ы СЛ р ОО 4^ оч —4 '-4 0\ -4 <_л СП Ы V о N4 Оч Ь4 N3 4^ ^ Ъа о N4 Ш Л О Оч чО 00 О 00 Ь4 04 СЛ N4 О N4 -4 р 1о о р чо --4 о са О оо ос о р 1л N4 чО чо 04 N4 N4 N4 и* ч©

-0,121 ел о\ а р ОО 4* О О 00 О ы Л. 04 чС Ъ\ оо чо чЬ р О р 1л чо О К) о 00 4* чО Л. О о О ь~> К) "чО ЧО Оч о\ ю N4 00 Оч р Ъ» 40 О Оч 00 ¿О ъ> -4 ЧО чО р Оч чО и) О 00 оо ш О "-4 Оч о\ О О Оч 4^. N4 ОО О и> V} 4^ 1Л

-0,121 о р со О к+л о и> чО N4 Оч к> 0\ 00 ¿ч чО о С\ (О р V) о и» ?о и> 1л си Ы ы и> О Оч ^ ОО ОО ы ^о ы оо оч о о О о р N4 Ь4 и> »О чО о О и) Оч 45» р 1/1 чо и) Ь4 N4 Оч 1*4 Оч р 1/1 и> 4^ р оо N4 о Оч Оч ЧО О VI -и и> 4а. оо 4л. V» % ОО Оч

и о л

г« о

5 1 ч

I X о №

•ё

о л

X о

»с

ё к я

Рис. 4. График зависимости коэффициента пригрузки Л„ со стороны вышележащих слоев от относительной и суммарной мощности £к/11„\

1 - пригрузка равна силе тяжести вышележащих слоев;

2 - й/Лн = 0,251§<р; 3 - И/К = 4 - А А =

Расчёты показывают, что арочная конструкция искусственной кровли обеспечивает её устойчивое состояние с коэффициентом запаса прочности 2-3. При пролётах шириной 12 м для кровли арочной формы наблюдается расслоение. Такие пролёты приняты как предельно устойчивые при коэффициенте запаса устойчивости, равном 2. При этом слой закладки у почвы камер I очереди и наклонная часть стенок камер II очереди для обеспечения необходимой прочности несущего слоя должен армироваться арматурными стержнями 016-20 мм, устанавливаемыми по нормали к почве и наклонным стенкам камер.

3. Изучение на моделях из эквивалентных материалов взаимодействия

искусственной кровли с естественным и искусственным массивом

Однако механизм взаимодействия искусственной кровли и массива под ним в процессе отработки недостаточно изучен. В этой связи появилась необходимость провести исследования этого процесса на моделях из эквивалентных материалов, в задачи которых входило изучить: устойчивость потолочины при различной её форме (плоской и арочной); деформации целиков; взаимодействие природной и искусственной кровель.

Исходным материалом для приготовления эквивалентного материала служил чистый кварцевый песок с размерами зёрен 0,14-0,2 мм. Для получения более тяжелого материала, эквивалентного руде и горным породам, применяли добавку чугунной дроби диаметром 2,0 мм. Объемная масса эквивалентного материала, включая вяжущее, была доведена до 2,1 г/см3, в среднем по маге-

риалам 2,06 г/см3. В качестве вяжущего использовали: для моделирования руды и пород - парафин и канифоль; для моделирования искусственной кровли - це-

Рис. 5. Деформации (мм) кровли (линия 1) и почвы (линия 2) искусственной потолочины после выемки камер первой очереди:

а - плоской формы; б - арочной формы

В качестве эквивалентного материала искусственной кровли использовалась песчано-цементная смесь, т.е. практически та же закладка. Срок твердения принят минимальный по нормам строительной индустрии 7 суток. Эквивалентный материал искусственных целиков (камер под закладкой) - пенопласт. За-

мена им приведенного состава закладки искусственной кровли объясняется тем, что при моделировании процесса отработки нижних камер залежи практически невозможно создать искусственные целики. Оценка устойчивости искусственных потолочин и целиков под ней производилась замером перемещений и деформаций отдельных её точек. Для регистрации смещений устанавливались репера, закладываемые в несущий слой искусственной кровли и на верхней границе её с налегающими породами.

Моделировались две формы искусственной кровли - плоская и арочная. Первоначально были отработаны первичные камеры под кровлей и "заложены" пенопластом. Замеренные деформации на этом этапе (рис. 5) практически не отличались от упругих деформаций основной кровли, рассчитанных по формуле Н.И. Мусхелишвили:

4,=-*-1-, (6)

где Е и ц - соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона налегающих пород; I - полупролёт панели, равный- половине подрабатываемого участка, / = 55 м; у - объёмная плотность пород, кг/м3; Н' - высота свода пород, Я' - 77 м.

Расслоений между искусственной, непосредственной и основной кровлями на моделях не наблюдалось. Проверка этого по возникающим направлениям показала, что расслоение при исследуемых пролётах не произойдёт:

->0.568, (7)

где Екр и Е„ор - модули упругости, искусственной кровли и налегающих пород непосредственной кровли; И - мощность потолочины, м; / - расстояние между осями целиков, м.

Моделирование на эквивалентных материалах для условий шахт СУБРа показало, что закладка нормативной прочностью 4,0 МПа удовлетворяет требованиям применения камерных систем разработки с искусственной кровлей. Коэффициент запаса искусственных целиков под потолочиной равен 2,0. Устойчивость искусственной кровли определяется расслоением непосредственной и искусственной кровель. Расслоение происходит при пролётах 12 м для кровли плоской формы и 16-18 м для кровли арочной формы. Эти величины приняты за устойчивые пролёты. Устойчивость искусственной потолочины арочной формы по сравнению с плоской повышается на 15-25 %.

4. Изыскание рациональной технологий создания искусственной кровли в условиях шахт СУБРа

Опыт отработки месторождений с искусственной потолочиной позволяет выделить два основных направления в технологии её возведения: искусственное укрепление пород кровли различными методами и тем самым создание но-

вой искусственной кровли на основе породного массива, а также за счёт выемки соответствующего слоя пород кровли и создания искусственной кровли на основе закладочного массива. Учитывая горно-геологические условия месторождений СУБРа, за основу была принята технология создания новой искусственной кровли взамен вынутого предварительно соответствующего слоя пород естественной кровли.

Рис. 6. Вариант создания плоской искусственной кровли камерами но восстанию:

I - камера для скреперной лебедки; 2 - первичная камера; 3 - вторичная камера; 4 - первичный панельный штрек; 5 - вторичный панельный штрек; 6 - вентиляционно-закладочный штрек; 7 - полевой восстающий; 8 - вентиляционно-закладочный орт; 9 - полевой откаточный орт; 10 - орт-заезд; 11 - промежуточный панельный штрек; 12 - рудный восстающий; 13 - искусственная кровля

В ходе выполнения диссертационной работы были изучены наиболее рациональные варианты создания плоской искусственной кровли, исходя из условий оптимизации технологии её возведения и безопасной высоты искусственной кровли с учётом пролётов отрабатываемых под ней камер:

- вариант создания плоской искусственной кровли камерами по восстанию;

- вариант создания искусственной кровли камерами по простиранию;

- вариант создания искусственной кровли заходками по восстанию.

Технико-экономическая оценка показала, что наиболее эффективным из

рассматриваемых вариантов является вариант создания искусственной кровли камерами по восстанию (рис. 6). Применение этого варианта позволит повысить интенсивность горных работ в 2,3 раза и снизить объём закладки на 20-25 % с сохранением на том же уровне показателей потерь и разубоживания. Расчёты были произведены для следующих параметров блока: длина по простиранию - 60 м, наклонная высота - 60 м, угол падения залежи - 30° и мощность -16 м.

На уровне предпроектных проработок было разработано несколько вариантов технологии возведения искусственной кровли арочной формы. Более удобным оказался вариант придания искусственной кровле арочной формы за счёт оставления на почве камер отбитой руды (рис. 7). В этом случае все камеры создаются одинаковой высоты. За счёт скреперования руды по камерам остатки её в первичных и вторичных камерах располагают вдоль выработки. Оставленная в камерах отбитая руда забирается при отработке нижних камер.

Рис. 7. Вариант придание искусственной кровле арочной формы за счёт оставления руды на почве камер

Для предотвращения ослабления искусственной кровли за счёт её слоистости она нуждается в дополнительном укреплении, что возможно на основе применения анкерной крепи или установления металлической арматуры. Наиболее технологично применение анкерной крепи, при этом более низкую себестоимость имеют железобетонные штанги.

5. Опытно-промышленные исследования технологии камерной выемки под искусственной кровлей в условиях шахт СУБРа

Промышленные испытания вариантов камерной выемки под искусственной кровлей проведены на шахте 15-15бис СУБРа в достаточно большом объёме в блоках: 2-5 юг гор. -320 м (1-й опытный участок), 13-16 юг гор. -275 м, 1017 сев. гор. -410 м (2-й опытный участок) и др.

В ходе проведения очистных работ в первую стадию выемка запасов проводилась камерами различной высоты. Как правило, высота камер второй очереди больше высоты камер первой очереди. Большая часть камер в верхней части участка сработана до известняков лежачего бока, т.е. на всю мощность рудного тела (рис. 8).

Рис. 8. Отработка опытного блока 13-16 юг гор. -275 м:

1 - закладочный массив; 2 - рудное тело; 3 - первичные заходки; 4 - вторичные заходки; 5 -первичные камеры; 6 - вторичные камеры

В зависимости от устойчивости естественной кровли ширина камер составляла 6-8 м. В ходе создания искусственной кровли к моменту проектирования подсечка естественной кровли была осуществлена не во всех камерах. Отработанные камеры были заложены твердеющей смесью, которая обеспечила нормативную прочность закладочного массива 4-6 МПа. Подача закладки проводилась с перерывами и с различным объёмом доз. Таким образом, искусственная кровля создана слоистой, величина слоев различная - от 0,1 и более.

1 Л А-А

Наибольшая интенсивность слоистости была выявлена на горизонтальных участках почвы камер.

В ходе создания искусственной кровли участок блоков 13-16 юг, по данным регионального прогноза удароопасности, производимой сейсмостанцией из 52 месяцев эксплуатации, входил в течение 39 месяцев в число опасных по динамическому проявлению горного давления. Величины сейсмической активности имели переменные показатели от 0 до 27. Максимальные значения изолиний 23-27 держались в период отработки камер первой очереди в блоке 16 южн. гор. -275 м.

При проведении горноподготовительных, нарезных и очистных работ в блоках 13-16 гор. -275 м повышенной категории удароопасности и динамических проявлений не зафиксировано.

Наблюдения за деформацией непосредственной кровли в опытных блоках 13-16 юг гор. -275 м показали, что основные деформации реализуются уже в момент подсечения первичных камер. Величина прогиба нижних слоёв (за-штангованной пачки пород) достигает 28-44 мм. Отмечается расслоение пород по высоте.

После подсечки пород кровли в камерах II очереди характер их деформирования аналогичен характеру деформирования в камерах I очереди. Основная часть деформаций прогиба реализуется непосредственно в момент подсечки кровли и находится в пределах 26-48 мм, после чего ее деформация стабилизируется.

По мере выемки и закладки вторичных камер искусственная кровля при-гружается толщей пород, расположенной непосредственно над ней. Происходит перераспределение горного давления и искусственная кровля пригружается максимально.

В некоторых камерах кровля была настолько устойчивой, что не нуждалась в установке штанг и подвесок.

Ниже приводятся показатели опытно-промышленных работ на шахте 15-

15 бис.

Общий объём добычи, тыс т 1250

Средняя мощность рудного тела, м 18,8

Потери, % 3,8

Разубоживание, % 3,7

Удельный объём ГПР, м/1 ООО т 220

Объём добычи под искусственной кровлей, % 62,5 Производительность труда забойного рабочего, м3/чел./смену 8,5

Анализ полученных данных свидетельствует о наличии резерва роста производительности труда. При средней мощности рудного тела 18,8 м на выемку запасов под искусственной кровлей со скважинной отбойкой и взрыводо-ставкой отбитой руды без захода людей в очистное пространство пришлось

62,5 % от общего объёма добычи, что позволило добиться производительности груда горнорабочего свыше 20 м3/чел./смену. Средние показатели по выдаче руды из блока при работе одной бригады составили 2400 т/месяц, в отдельных случаях достигая свыше 5000 т/месяц. Это также свидетельствует об определенном резерве роста производительности груда.

Освоение новой технологии и внедрение её при отработке рудных тел в удароопасных условиях и неустойчивых вмещающих породах позволило:

- значительно расширить область применения высокопроизводительной камерной системы разработки;

- повысить безопасность работ в результате снижения величины действующих напряжений за счёт опережающей отработки рудного тела в висячем боку;

- увеличить камерные запасы и снизить удельный объём горноподготовительных работ, повысить эффективность добычи полезного ископаемого.

Применение систем с твердеющей закладкой, несмотря на более полное извлечение боксита из недр, приводит к дополнительному разубоживанию руды закладочным материалом.

Результаты исследования потерь и разубоживания были использованы в качестве исходных данных при технико-экономической оценке новой технологии добычи. Другие стоимостные параметры приняты на основе фактических данных деятельности шахт СУБРа.

За критерий оценки эффективности применения камерной выемки под искусственной кровлей была принята величина себестоимости добычи.

Общий экономический эффект, подсчитанный по данной методике, от применения камерной системы разработки под искусственной кровлей на шахтах СУБРа составил более 40 млн. руб. (в ценах 2008 года).

При оценке эффективности применения новой технологии в качестве базового варианта принята система слоевого обрушения, применяемая в идентичных горно-геологических условиях на шахтах СУБРа.

За время испытаний камерной выемки под искусственной кровлей на шахтах СУБРа было добыто более 1 млн т руды. Производительность труда забойного рабочего в среднем составила 8-9 м3/смену (максимальная - 22 м3/смену) против 4,6-4,7 м3/смену при системе слоевого обрушения. Потери руды составили 3,8 %, разубоживание - 3,7 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена актуальная научно-техническая задача - разработка эффективной и безопасной технологии отработки рудных залежей мощно-

стью свыше 8 м на основе геомеханической модели разрушения пород в статической и динамической формах, имеющая существенное значение для повышения безопасности горных работ на большой глубине.

Основные результаты проведённых исследований сводятся к следующему:

1. Разработана технология двухстадийной отработки месторождения камерными системами разработки с искусственной кровлей и обоснована методология технических решений, сущность которой заключается в следующем:

- конструктивные решения создания искусственной потолочины следует дифференцировать от степени устойчивости кровли и применяемых вариантов технологии отработки подкровельных запасов руды в блоке;

- опережающая отработка рудного тела со стороны висячего бока путём выемки подкровельных запасов рудного тела снижает уровень действующих напряжений при отработке массива и, соответственно, степень проявления горного давления;

- механическая устойчивость искусственной кровли находится в зависимости от её конструктивного исполнения и формы, искусственная кровля арочной формы на 15-20 % имеет большую устойчивость по сравнению с плоской.

2. Выполненный комплекс лабораторных исследований посредством моделирования на эквивалентных материалах позволяет делать следующие выводы:

- из двух сравниваемых технологий возведения искусственной кровли (камерно-целиковой и сплошной) наибольшая неравномерность распределения опорного давления характерна для камерно-целиковой технологии;

- деформации нижней и верхней поверхности искусственной кровли одинаковы, и величины их при второй стадии выемки камер не зависят от размеров камер и целиков и формы искусственной кровли, а определяются соотношением площади целика и приходящейся на него площади налегающих пород;

- закладка нормативной прочностью 4 МПа удовлетворяет требованиям применения камерных систем разработки под искусственной кровлей, коэффициент запаса прочности при этом составляет 2;

- устойчивость искусственной кровли определяется во многом расслоением непосредственной и искусственной кровли, расслоение происходит при пролётах 12 м для плоской формы кровли и 16-18 м - для арочной. Эти величины приняты за предельные устойчивые пролёты, при которых коэффициент запаса устойчивости составляет 1,10-1,15, устойчивость искусственной потолочины арочной формы по сравнению с плоской повышается на 15-25 %.

3. Изучая горно-геологические условия месторождений СУБРа, разрабо-

тали технологию создания новой искусственной кровли взамен предварительно вынутого естественного слоя пород висячего бока на основе камерной выемки. Наиболее эффективным вариантом создания искусственной кровли является вариант кровли арочной формы камерами по восстанию, при котором в 2,3 раза повышается интенсивность работ и на 20-25 % снижается объём закладки.

4. На устойчивость искусственной кровли первостепенное значение оказывает её слоистость, которая определяется временем перерывов в подаче закладки. При этом процесс сцепления слоёв становится минимальным при времени перерывов в подаче закладки свыше 40-60 мин, для предотвращения ослабления искусственной кровли за счёт её слоистости она нуждается в дополнительном укреплении, что наиболее эффективно на основе штанговой крепи.

5. На основе инструментальных маркшейдерских наблюдений за оседанием искусственной кровли установлено, что деформации кровли формируются в течение 5-8 суток, затем они практически прекращаются, при этом величина оседания не превышает 50 мм.

6. Общий экономический эффект от применения камерной системы разработки под искусственной кровлей на шахтах СУБРа составил более 40 млн руб. (в ценах 2008 года).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

В ведущих рецензируемых научных изданиях, определённых ВАК России:

1. Шараев Д.В. Добыча руды в удароопасных условиях на шахтах СУБРа / Осинцев В.А., Беркович В.М., Шараев Д.В. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. - 2008. - №2(22). -С. 5-9.

2. Шараев Д.В. Расчётный метод определения устойчивости искусственной кровли арочной формы / Шараев Д.В. // Известия вузов. Горный журнал. - 2008 - №8. - С..

В прочих изданиях:

3. Шараев Д.В. Технология отработки удароопасных месторождений (на примере шахт североуральского бокситового рудника) / Осинцев В.А., Беркович В.М., Шараев Д.В. // Материалы уральской горнопромышленной декады: сборник научных трудов УГГУ. - Екатеринбург: Изд-во УГТУ, 2008. - С. 86-87.

Подписано в печать сЛ 11.2008 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать на ризографе. Печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ № /63

Издательство УГГУ 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 Уральский государственный горный университет Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники издательства УГГУ

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Шараев, Дмитрий Владимирович

Введение

1. Изыскание путей повышения эффективности отработки североуральского бокситового месторождения

1.1. Ударобезопасная технология очистных работ при различных режимах нагружения горного массива

1.2. Анализ горно-геологических условий месторождений СУБРа

1.3. Особенности подземной геотехнологии месторождений СУБРа и изыскание путей повышения её эффективности

1.4. Цели и задачи исследований

2. Аналитические исследования по оптимизации формы и параметров искусственной кровли

2.1. Расчёт параметров плоской искусственной кровли

2.2. Расчёт параметров кровли арочной формы

2.3. Расчёт сечения сводчатого несущего слоя 32 Выводы по главе

3. Изучение на моделях из эквивалентных материалов взаимодействия искусственной кровли с естественным и искусственным массивом

3.1. Цель и задачи проведения лабораторных исследований на эквивалентных материалах

3.2. Исследование изменений деформации налегающего массива пород висячего бока от технологии возведения, искусственной кровли

3.3. Изучение на моделях из эквивалентных материалов взаимодействия искусственной кровли с естественным и искусственным массивами

Выводы по главе

4. Изыскание рациональной технологий создания искусственной кровли в условиях шахт СУБРа

4.1. Опыт создания искусственной кровли при отработке рудных месторождений

4.2. Разработка технологии возведения искусственной кровли плоской формы

4.3. Разработка технологии возведения искусственной кровли арочной формы

4.4. Изыскание технических решений по укреплению искусственной кровли

Выводы по главе

5.1. Исследование вариантов технологических схем возведения искусственной кровли и наблюдения за динамическими проявлениями горного давления

5.2. Отработка подкровельных запасов и технико-экономическая оценка эффективности применения технологии камерной выемки под искусственной кровлей

5.3. Изыскание дальнейших путей повышения эффективности применения камерной системы с закладкой под искусственной кровлей на шахтах СУБРа

Выводы по главе

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка технологии выемки рудных залежей с учётом закономерности формирования параметров вторичного напряжённо-деформированного состояния горного массива"

Актуальность темы. С увеличением глубины горных работ до 800-1500 м и более на шахтах СУБРа обострилась проблема эффективного и особенно безопасного ведения горных работ в связи с ростом проявлений горного давления, характеризующихся значительным снижением устойчивости массива горных пород и возможностью возникновения горных ударов — наиболее опасной формы динамического разрушения массива. На шахтах, где ежегодно регистрыо руется свыше 1000 сейсмических явлений с энергией, достигающей 10 Дж, проблемы горных ударов серьёзно осложняют технологию добычи, снижают эффективность и безопасность отработки месторождения.

В настоящее время на СУБРе применяются следующие системы разработки: система слоевого обрушения, камерно-столбовая и камерно-целиковая с закладкой. Область применения высокопроизводительной камерно-целиковой системы разработки с закладкой ограничена мощностью рудного тела до 6-8 м. Там, где мощность превышает 8 м, месторождение отрабатывается системой слоевого обрушения, технико-экономические показатели которой сегодня не могут удовлетворить предприятие. В то же время прогноз распределения запасов руды по мощности показывает, что свыше 70 % запасов месторождения до глубины 1200 м сосредоточено на участках мощностью более 9 м, что предопределяет необходимость изыскания новых технических решений, позволяющих вести отработку этих запасов высокоэффективной технологией.

В связи с этим обоснование новой эффективной технологии разработки североуральских бокситовых месторождений на основе двухстадийной отработки месторождения под искусственной кровлей, позволяющей применить камерную систему разработки на участках мощностью свыше 8 м, — актуально для СУБРа и других месторождений, отрабатываемых в удароопасных условиях.

Объект исследований: технология выемки рудных залежей в удароопасных условиях на основе применения камерных систем разработки под искусственной кровлей.

Основные задачи исследований:

- разработка технологии создания искусственной кровли;

Основные защищаемые положения:

- деформации нижней и верхней поверхностей искусственной кровли одинаковы, и их величины не зависят от размеров камер и целиков и формы искусственной кровли, а определяются соотношением площади целика и приходящейся на него площади налегающих пород;

Научная новизна работы заключается в следующем:

- установлены зависимости коэффициента пригрузки со стороны вышележащих слоев от относительной и суммарной мощности; в создании метода имитационного моделирования геомеханических и технологических задач, учитывающих особенности отработки месторождений камерными системами под искусственной кровлей; в разработке методических положений по расчёту параметров искусственной кровли, позволяющих определить зависимость величины мощности искусственной кровли от пролёта очистной камеры и сопротивления закладочного материала растяжению на изгиб.

Реализация работы:

Камерная система разработки под искусственной кровлей прошла широкую промышленную проверку на шахтах СУБРа и позволила по сравнению с существующей технологией более чем в два раза увеличить производительность забойного рабочего. Наблюдения за уровнем удароопасности в районе отработки опытных блоков не выявили запредельных условий для возникновения динамических нагрузок, что позволяет сделать вывод о повышении уровня безопасности ведения горных работ.

Результаты исследований и основанные на них рекомендации переданы в проектный институт "СУБР-Проект" и использованы при составлении проектной документации для условий СУБРа, а также используются в учебном процессе на горно-технологическом факультете Уральского государственного горного университета.

Личный вклад автора:

- анализ и обобщение теории и практики отработки месторождений, характеризующихся удароопасностью, камерными системами разработки; постановка задачи по составлению геомеханической модели разрушения пород в статической и динамической формах, позволяющей прогнозно оценить удароопасность месторождения и определить основные требования к горной технологии, обеспечивающие максимальное снижение удароопасности; разработка новых технологических схем очистной выемки, обеспечивающих эффективность и безопасность ведения горных работ.

Апробация работы:

Материалы диссертации вошли в учебное пособие с грифом УМО Отработка рудных месторождений в удароопасных условиях / В.А. Осинцев, В.М. Беркович, Д.В. Шараев; Урал. гос. горный ун-т. — Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2008. - 82 с.

Структура и объём работы:

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Шараев, Дмитрий Владимирович

Основные результаты проведённых исследований сводятся к следующему:

1. Разработана технология двухстадийной отработки месторождения камерными системами разработки под искусственной кровлей и обоснована методология технических решений, сущность которой заключается в следующем:

- опережающая отработка рудного тела со стороны висячего бока путём выемки подкровельных запасов снижает уровень действующих напряжений при отработке массива и, соответственно, степень проявления горного давления;

- устойчивость искусственной кровли определяется во многом расслоением непосредственной и искусственной кровель, расслоение происходит при пролётах 12 м для плоской формы кровли и 16-18 м — для арочной. Эти величины приняты за предельные устойчивые пролёты, при которых коэффициент запаса устойчивости составляет 1,10-1,15, устойчивость искусственной потолочины арочной формы по сравнению с плоской повышается на 15-20 %.

3. Изучая горно-геологические условия месторождений СУБРа, разработали технологию создания новой искусственной кровли взамен предварительно вынутого естественного слоя пород висячего бока на основе камерной выемки. Наиболее эффективным вариантом создания искусственной кровли является вариант кровли арочной формы камерами по восстанию, при котором в 2,3 раза повышается интенсивность работ и на 20-25 % снижается объём закладки.

6. Общий экономический эффект от применения камерной системы разработки под искусственной кровлей на шахтах СУБРа составил более 40 млн. руб. (в ценах 2008 года).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена актуальная научно-техническая задача — разработка эффективной и безопасной технологии отработки рудных залежей мощностью свыше 8 м на основе геомеханической модели разрушения пород в статической и динамической формах, имеющая существенное значение для повышения безопасности горных работ на большой глубине.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Шараев, Дмитрий Владимирович, Екатеринбург

1. Бакиновский, Н.И. Опыт и перспективы применения твердеющей закладки / Н.И. Бакиновский, В.М. Иванов // Горный журнал. 1994. - № 3. - С. 1619.

2. Бакланов, И.В. Конструкция и расчёт крепей и обделок / И.В. Бакланов, О.В. Тимофеев. М.: Недра, 1979. - 263 с.

3. Баталов, Б.Т. Гидрогеологические условия североуральских бокситовых месторождений / Б.Т. Баталов // Горный журнал. — 1994. №3. - С. 8-9.

4. Беркович, В.Х. Рациональная технология отработки удароопасных месторождений / В.Х. Беркович, В.И. Дорошенко, Е.В. Тарчевский // Известия вузов. Горный журнал. 1993. - №10. - С. 102-120.

5. Беркович, В.Х. Камерная выемка руды под искусственной кровлей / В.Х. Беркович, B.C. Болкисев, P.JI. Оганесян // Горный журнал. — 1996. №11. -С. 77-79.

6. Борщ-Компанеец, В.И. Горное давление при отработке мощных пологих рудных залежей / В.И. Борщ-Компанеец, А.В. Макаров. М.: Недра, 1986. -27 с.

7. Бронников, Д. М. Разработка руд на больших глубинах / Д.М. Бронников, Н.Ф. Замесов, Г.И. Богданов. М.: Недра, 1983. - 168 с.

8. Васильев, В.В. Крепление горных выработок полимерно-композиционными материалами / В.В. Васильев // Уголь. 1998. - №4. — С. 33-35.

9. Ветров, С.В. Допустимые размеры обнажения горных пород при подземной разработке / С.В. Ветров. М.: Наука, 1975. - 232 с.

10. Виноградов, В.В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок / В.В. Виноградов. Киев: Наукова думка, 1989. - 192 с.

11. Винокур, Б.Ш. Проблема горных ударов и пути её решения на шахтах СУБРа / Б.Ш. Винокур, Г.И. Рубцов, Н.И. Ермаков и др. // Горный журнал. -1979.-№10.-С. 37-39.

12. Влох, Н.П. Опыт применения податливых потолочин при отработке на-клоннопадающих рудных тел / Н.П. Влох, А.В. Зубков, Ю.Г. Феклистов и др. // Горный журнал. 1993. - №11. - С. 43-45.

13. Воинов, К.А. Аппаратура регионального прогноза горных ударов / К.А. Воинов, С.В. Глотов, А.С. Краков // Горный журнал. 1994. - №3. - С. 2225.

14. Вяткин, А.П. Твердеющая закладка на рудниках / А.П. Вяткин, В.Г. Горбачев, В.А. Рубцов. -М.: Недра, 1983. 168 с.

15. Галаев, Н.З.У правление горным давлением при разработке рудных месторождений системами с открытым очистным пространством: учебное пособие / Н.З. Галаев, А.А. Иванов. Ленинград, 1986 - 83 с.

16. Гальперин, В.Г. Опыт разработки месторождений на больших глубинах за рубежом / В.Г. Гальперин, Я.И. Юхимов, И.В. Ворсук. М.: ЦНИИЭ и МЦМ, 1986. - Вып. 1. - 49 с.

17. Гетце, В. Анкерная крепь на больших глубинах / В. Гетце // Глюкауф. — 1986.-№2.-С. 54-62.

18. Глушко, В.Т.Охрана выработок глубоких шахт / В.Т. Глушко, Т.Н. Цай, И.И. Ваганов. -М.: Недра, 1975. 200 с.

19. Горев, Е.С. На СУБРе / Е.С. Горев // Безопасность труда в промышленности. 1980. - № 8. - С. 51-52.

20. Горев, Е. С. Влияние геологических и горнотехнических факторов на формирование удароопасности на североуральском бокситовом руднике / Е.С. Горев, Е.И. Микулин, П.В. Баков // Цветная металлургия. 1984. - №12.

21. Горев, Е.С. Борьба с динамическими явлениями на шахтах Севуралбоксит-руды / Е.С. Горев, В.А. Колесов, Е.И. Микулин // Безопасность труда в промышленности. — 1986. — №10. — С. 50-53.

22. Горев, Е.С. Создание высокоэффективной технологии подземной разработки удароопасных месторождений в условиях повышенной обводнённости на примере шахт СУБРа: дис. . канд. техн. наук, в форме доклада / Е.С. Горев. — Свердловск, 1988. — 22 с.

23. Гуткин, Е.С. Геология и геохимия девонских бокситов / Е.С. Гуткин. М.: Недра, 1978.-230 с.

24. Дементьев, И.В. Определение экономической целесообразности объёмов добычи при разработке месторождений несколькими системами / И.В. Дементьев, B.C. Ягнышев, Е.С. Горев // Известия вузов. Горный журнал. — 1982.-№9.-С. 15-18.

25. Дорошенко, В.И. Оценка устойчивости конструктивных элементов систем разработки в тектонически напряжённом массиве горных пород / В.И. Дорошенко, М.П. Попов, О.Ю. Смирнов и др. // Горный журнал. 1985. -№11.-С. 53-54.

26. Дробот, Б.П. Подземная разработка бокситовых месторождений / Б.П. Дробот. -М.: Недра, 1983. 168 с.

27. Дробот, Б.П. Современное состояние технологии подземной разработки бокситовых месторождений / Б.П. Дробот // Известия вузов. Горный журнал. 1993.-№ l.-C. 84-102.

28. Дробот, Б.П. Безопасная система разработки в условиях проявления горных ударов / Б.П. Дробот, P.JI. Оганесян // Безопасность труда в промышленности. 1994. - №7. - С. 32-35.

29. Дуба, Е.Г. Исследование физико-механических свойств горных пород, упрочнённых цементацией / Е.Г. Дуба, Ю.В. Бурков, А.Ф. Куванов. М.: Недра, 1979.

30. Егоров, П.В. Управление состоянием удароопасного блочного массива на глубоких рудниках Талнаха / П.В. Егоров, В.А. Редькин. Кемерово: Куз-ГТУ, 2004.-188 с.

31. Заславский, Ю.З. Исследование проявлений горного давления в капитальных выработок глубоких шахт Донецкого бассейна / Ю.З. Заславский. -М.: Недра, 1966.- 180 с.

32. Калмыков, В.Н Расчёт междукамерных целиков: учебное пособие / В.Н. Калмыков, А.И. Меркулов. Свердловск: Изд. УТТИ, 1977. - 40 с.

33. Карпель, Г.Р. Состояние сырьевой базы алюминиевой промышленности СССР и перспективы её развития / Г.Р. Карпель // Бокситы и другие руды алюминиевой промышленности М.: Недра, 1988. — С. 5-14.

34. Колесов, В.А. К проблеме горных ударов на шахтах СУБРа / В.А. Колесов,

35. B.Г. Селивоник, Е.И. Микулин //Горный журнал. 1994. -№3. — С. 20-22.

36. Кузнецов, Г.Н. Изучение проявлений горного давления на моделях / Г.Н. Кузнецов и др. Углетехиздат, 1958.

37. Кузнецов, Г.Н. Моделирование проявлений горного давления / Г.Н. Кузнецов, М.Н. Будько, Ю.И. Васильев и др. — М.: Недра, 1968. 280 с.

38. Кузнецов, Ю.С. Перспективы применения сталеполимерных анкеров на рудниках Норильского комбината / Ю.С. Кузнецов, Б.Е. Генкин, Г.Г. Ар-томошина и др. // Цветная металлургия. 1983. - №2. — С. 8-10.

39. Малетин, JI.B. Формирование искусственной кровли и её устойчивость при очистной выемке / JI.B. Малетин, А.И. Мохов, А.П. Пропой и др. // Горный журнал. 1979. - №1. - с. 35-37.

40. Мельников, О.И. Анкерная крепь / О.И. Мельников. М.: Недра, 1980. -252 с.

41. Микулин, Е.И. Борьба с горными ударами на шахтах СУБРа / Е.И. Микулин, Е.С. Горев // Безопасность труда в промышленности. — 1983. №5.1. C. 15-17.

42. Оганесян, P.JI. Камерная выемка бокситов под искусственной кровлей в ПО Севуралбокситруда / P.JI. Оганесян, Ю.Ю. Пиленков, Б.П. Дробот // Цветная металлургия. 1989. - №1. - С. 4-6.

43. Пармковский, Б.В. Влияние кривизны обнажений на напряженное состояние и несущую способность потолочины / Б.В. Пармковский, В.В. Солович, И.И. Клинии и др. // Совершенствование горнорудного производства. -Кривой Рог: НИГРИ, 1980. С. 74-76.

44. Пахалуев, В.Ф. Развитие технологии подземных горных работ / В.Ф. Паха-луев, А.Н. Чарьков, Е.И. Микулин и др. // Горный журнал. — 1994. — №3. — С. 10-16.

45. Петухов, И.М. Указания по безопасному ведению горных работ при строительстве и эксплуатации шахт североуральского бокситового рудника, подверженных горным ударам / И.М. Петухов, B.C. Ломакин, Е.С. Горев и др. Д.: ВНИМИ, 1981.-43 с.

46. Плотников, И.И. Прогноз обводнённости глубоких горизонтов месторождений полезных ископаемых в карстовых массивах / И.И. Плотников // Известия вузов. Горный журнал. — 1993. №10. — С. 63-83.

47. Половов, Б.Д. Уральский алюминий и продукция из него / Б.Д. Половов, Ф.Ф. Федяев // Известия вузов. Горный журнал. — 1993. — №10. — С. 3-5.

48. Пушкарев, Л.И. Системы разработки с закладкой выработанного пространства на рудниках цветной металлургии / Л.И. Пушкарев, И.В. Брезгулев-ский. — Свердловск: Институт повышения квалификации специалистов МЦМСССР, 1984.-64 с.

49. Рогинский, В.М. О восстановлении несущей способности железобетонных штанг / В.М. Рогинский // Цветная металлургия. 1966. - №2. - С. 2-3.

50. Рогинский, В.М. Проектирование и расчёт железобетонной штанговой крепи / В.М. Рогинский. — М.: Недра, 1971. — 80 с.

51. Сафронов, А.Г. Состояние и пути развития систем разработки североуральских бокситовых месторождений / А.Г. Сафронов, Б.П. Дробот, Е.С. Горев // Горный журнал. 1979. - №10. - С. 33-35.

52. Селивоник В.Г. Опыт отработки удароопасных бокситовых месторождений северного урала Электронный ресурс. / В.Г. Селивоник Электрон, дан. - 2004- . Режим доступа: http://igd.uran.ru/geomech/articles/svg001/index.htm, свободный.

53. Сергеев, Н.Н. Создание и внедрение новой технологии добычи руды с применением систем с твердеющей закладкой / Н.Н. Сергеев, А.И. Ель-минский // Горный журнал. 1969. - №3. - С. 20-23.

54. Слащилин, И.Т. Прогнозирование прочности твердеющей закладки на основе смешанного вяжущего. Физические процессы горного производства: тез. докладов X Всесоюзной научн. конф. вузов СССР / И.Т. Слащилин.1. М.:МГИ, 1991.-С. 205-207.

55. Слащилин, И.Т. Оценка устойчивости искусственной кровли при подработке её камерами с закладкой / И.Т. Слащилин, B.C. Сураев, P.JI. Оганесян // Подземная разработка мощных рудных месторождений. — Магнитогорск: МГМИ, 1993.-С. 113-121.

56. Степин, А.А. Пути развития технологии возведения сталеполимерной анкерной крепи / А.А. Степин, Ю.Д. Шварц, Е.П. Зерикович и др. // Горный журнал. 1983. - №9. - С. 36-37.

57. Требуков, A.JT. Применение твердеющей закладки при подземной добыче руд / A.JI. Требуков. М.: Недра, 1981. - 192 с.

58. Фёдоров, М.В. Алюминий Урала / М.В. Фёдоров // Известия вузов. Горный журнал. 1993. - №10. - С. 6-8.

59. Хомяков, В.И. Зарубежный опыт закладки на рудниках / В.И. Хомяков. — М.: Недра, 1984.-224 с.

60. Чесноков, Н.И. Разработка месторождений урана системами с твердеющей закладкой / Н.И. Чесноков, А.А. Петросов, Б.Ф. Шевченко. М.: Энерго-атомиздат, 1983. - 208 с.

61. Шемякин, Е.Н. Две задачи механики горных пород, связанных с освоением глубоких месторождений руды и угля / Е.Н. Шемякин // ФТПРПИ. 1975.- №6. С. 29-45.

62. Широков, А.П. Теория и практика применения анкерной крепи / А.П. Широков.-М.: Недра, 1981.-381 с.

63. Широков, А.П. Состояние и перспективы применения анкерной крепи в условиях шахт Кузбасса / А.П. Широков, Ю.Н. Малышев // Уголь. 1990.2. — С. 15-19.

64. Инструкция по технологии возведения монолитной искусственной кровли из твердеющего материала. Свердловск: Унипромедь, 1988. - 17 с.

65. Камерная выемка с плиточным искусственным целиком из твердеющей закладки при расположении камер по восстанию: технологический проект систем разработки / институт Гипроникель. Ленинград, 1978. - 50 с.

66. Применение систем разработки с искусственной кровлей и их совершенствование в рудной промышленности: обзорная информация: серия Горное дело. - М.: МЦМ ЦЭН, 1976.

67. Разработка эффективной технологии подземной добычи руд из наклонных залежей средней мощности применительно к условиям СУБРа: отчёт о НИР / Московский горный институт. М., 1983. - 86 с. - Тема ПР-1-3 гр.71059309 инв. №02840030736.

68. Руководство по выбору конструктивных параметров камерно-столбовой системы разработки на шахтах СУБРа. Свердловск: Унипромедь, 1988. -51 с.

69. СНиП 11-94-80. Подземные горные выработки. Нормы проектирования. -М.: Стройиздат, 1980. 31 с.

70. Съёмный анкер: а. с. 4817933/03 (046587) / Р.Л. Оганесян, Б.П. Дробот, К.Ш. Подмарев и др.

71. Трубчатый анкер: а. с. №4317934/03 (04536) / РЛ. Оганесян, К.Ш. Подмарев, Е.И. Микулин и др.; решение государственной научно-технической экспертизы изобретений.

72. Трубчатый анкер: п. р. №4901366/63 (003751) / Р.Л Оганесян, А.П. Илюшин и др.

Информация о работе

Шараев, Дмитрий Владимирович
кандидата технических наук
Екатеринбург, 2008
ВАК 25.00.22

Диссертация

Разработка технологии выемки рудных залежей с учётом закономерности формирования параметров вторичного напряжённо-деформированного состояния горного массива - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы