Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Управление напряженно-деформированным состоянием скального массива для обеспечения устойчивости подземных выработок

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

Автореферат диссертации по теме "Управление напряженно-деформированным состоянием скального массива для обеспечения устойчивости подземных выработок"

На правах рукописи

УДК 622.833.5

БАЛЕК Александр Евгеньевич

Управление напряженно-деформированным состоянием скального массива для обеспечения устойчивости подземных выработок

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург 2004

Работа выполнена в Институте горного дела Уральского отделения Российской академии наук.

Научный консультант - заслуженный деятель науки и техники РФ, д-р техн.

наук Сашурин Анатолий Дмитриевич

Официальные оппоненты:

д-р техн. наук, проф. Барях Александр Абрамович, д-р техн. наук, проф. Туринцев Юрий Иванович, д-р техн. наук Шуплецов Юрий Павлович

Ведущая организация: ОАО "Институт Уралгипроруда"

Защита состоится 14 октября 2004 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 004.010.01 в Институте горного дела УрО РАН по адресу: 620219, г. Екатеринбург, ул Мамина- Сибиряка, 58

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГД УрО РАН. Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного

совета д-р техн. наук, проф. , . / В.М.Аленичев

ОБШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Обеспечение устойчивости горных выработок издавна являлось важнейшей задачей геотехнологии, без решения которой подземная разработка полезных ископаемых невозможна. В настоящее время подземную разработку рудных месторождений, в подавляющем большинстве приуроченных к иерархически блочным массивам скальных горных пород, ведут на глубинах 500 -1000 м и глубже при все более усложняющихся геомеханических условиях и росте интенсивности негативных проявлений горного давления, что создает существенные технические и социально-экономические проблемы. Особенно сложная ситуация складывается с обеспечением устойчивости выработок большого сечения, с пролетом порядка десяти метров и более, в т.ч. таких ответственных объектов как стволы шахт. Так, из 34-х стволов, обследованных ИГД УрО РАН в Уральском регионе за последние 20 лет, на 18-ти наблюдались деформации и нарушения крепи. Еще более распространены нарушения устойчивости очистных камер, поскольку крепление их затруднено и зачастую экономически неэффективно, как, например, при камерно-столбовых системах разработки, или просто технически невозможно, например - при камерных системах. В этих условиях первостепенное значение приобретают методы управления напряженно-деформированным состоянием горного массива вокруг выработок, позволяющие как повышать их устойчивость, так и при необходимости снижать ее, например для погашения выработанного пространства. Рациональность и надежность применяемых методов управления горным .давлением во многом определяет безопасность эксплуатации рудников и эффективность подземной геотехнологии в целом. Таким образом, управление напряженно-деформированным состоянием иерархически блочных скальных породных массивов в зоне влияния горных выработок представляет собой актуальную и крупную научно-техническую проблему, имеющую важное хозяйственное значение.

Диссертация обобщает результаты более 20 плановых НИР, выполнявшихся Институтом горного дела УрО РАН при участии автора в период с 1979 по 2003г. по хоздоговорам с рудниками, заданиям МЧМ, ГКНТ СССР и РАН, а в последние годы при поддержке РФФИ (гранты 01-05-65178; 00-05-64083; 9905-64371 и др.)

Объест исследований - иерархически блочный массив скальных пород, находящийся в запредельном напряженно-деформированном состоянии вследствие воздействия техногенного поля статических напряжений, формирующихся вокруг горных выработок.

Предмет исследований — закономерности процесса запредельного деформирования, происходящего при статическом разрушении скального массива в окрестностях горных выработок и проявляющегося в форме разнонаправленных подвижек иерархических породных блоков. |~7ос. национальная}

БИБЛИОТЕКА |

Цель работы - исследование закономерностей запредельного деформирования иерархически блочного скального массива и разработка на их основе новых методов управления его напряженно-деформированным состоянием для обеспечения устойчивости подземных выработок.

Идея работы заключается в использовании для цели управления напряженно-деформированным состоянием при запредельном деформировании скального массива явления диссипативного структурирования, проявляющегося в образовании консолидируемых породных блоков, подвижки которых вносят существенную дискретизацию в поле техногенных напряжений и деформаций.

Задачи исследований:

1 Выявить основные закономерности запредельного деформирования иерархически блочного массива скальных горных пород вокруг подземной выработки в процессе формирования техногенного поля статических напряжений.

2 Разработать модель, отражающую геомеханическое состояние подземной выработки, с учетом выявленных закономерностей.

3 Разработать методы формирования напряжено-деформированного состояния для управления устойчивостью подземной выработки.

4 Разработать методику геомеханического обоснования и технологию применения новых методов управления горным давлением.

5 Провести специальные промышленные эксперименты по исследованию достоверности и надежности теоретических положений и методик геомеханического обоснования.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод экспериментально-аналитических исследований, включающий научное обобщение -теоретических и экспериментальных работ отечественных и зарубежных исследователей, натурные инструментальные исследования и опытно-промышленные эксперименты, обработку полученных данных с использованием методов математической статистики, численное моделирование и сопоставление полученных результатов с натурными данными.

Научные положения, представляемые к защите:

1 Параметры запредельного напряженно-деформированного состояния скального массива в окрестностях подземных выработок находятся в корреляционной взаимосвязи с процессами его диссипативного структурирования, проявляющимися в образовании консолидированных породных блоков на пространственно-временных масштабах подземной геотехнологии.

2 Масштабы консолидации породных блоков существенно влияют на устойчивость подземных выработок и определяют дискретизацию поля техногенных деформаций массива на трех иерархических уровнях: в области геомеханического влияния зоны обрушения шахты; в области влияния рассматриваемой выработки; в приконтурном массиве выработки.

3 Параметры запредельных техногенных деформаций массива в области геомеханического влияния зоны обрушения шахты находятся в линейной корреляционной связи с параметрами деформирования упругой континуальной среды и определяются тройной концентрацией на междублоковых участках и двойной разгрузкой на консолидированных геоблоках при максимальной ам-

плитуде флуктуационной изменчивости ± 1 мм/м, зависящей от последовательности выемки рудного тела.

4 Параметры запредельных техногенных деформаций приконтурного массива очистных камер находятся в функциональной нелинейной зависимости с параметрами блоковых подвижек, изменяющих направление реакции противодействия поддерживающих целиков и способных обеспечить смену знака и направления его главных напряжений.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации обеспечивается представительным объемом длительных натурных инструментальных исследований; теоретическим обобщением выявленных закономерностей; удовлетворительным согласованием результатов аналитических и натурных исследований (коэффициент корреляции не менее 0,7); успешными промышленными экспериментами; положительным опытом внедрения результатов работы на горнодобывающих предприятиях.

Научная новизна работы:

1 Выявлены особенности формирования запредельного напряженно-деформированного состояния скального массива в области влияния горных выработок, обусловленные процессами его диссипативного структурирования, проявляющимися в форме подвижных консолидированных породных структур, которые накладываются на существующее иерархически блочное строение среды.

2 Установлена взаимосвязь процесса подвижек консолидированных породных структур с параметрами техногенного поля статических напряжений, свидетельствующая о дискретизации запредельного деформационного процесса на трех иерархических масштабных уровнях, отражающих основные источники формирования техногенных напряжений при подземной разработке рудных месторождений.

3 Выявлены количественные закономерности запредельного деформационного процесса, определяющие линейную взаимосвязь техногенных деформаций с решениями упругой задачи и зависящие от местоположения рассматриваемого участка массива в системе консолидированных породных блоков.

4 Выявлена зависимость максимальной амплитуды флуктуационной изменчивости техногенных деформаций скального массива от интенсивности приращений техногенных статических напряжений в области влияния крупномасштабной зоны обрушения шахты и, соответственно, от последовательности выемки рудной залежи.

5 Определены условия и особенности перехода приконтурного скального массива подземных выработок в запредельное состояние, что позволило обосновать принципы управления его напряженно-деформированным состоянием путем искусственно провоцируемых подвижек прилегающих породных блоков.

6 Определены количественные зависимости изменений параметров напряженно-деформированного состояния скального массива в окрестностях подземных выработок от технологических мероприятий по регулированию процессов блоковых подвижек на различных масштабных уровнях.

Научная значимость результатов работы заключается:

- в установлении характерных особенностей и закономерностей запредельного деформирования иерархически блочного скального массива в окрестностях подземной выработки в процессе формирования техногенного поля статических напряжений;

- в разработке трехуровневой модели, отображающей геомеханическое состояние подземной выработки в блочном скальном массиве и отличающейся тем, что напряженно-деформированное состояние массива на каждом иерархическом уровне определяет граничные условия для последующего мелкомасштабного уровня путем внесения в параметры континуальной среды поправок на процессы блоковых подвижек;

- в геомеханическом обосновании новых методов управления напряженно-деформированным состоянием скального массива, предусматривающем схему последовательного вложения параметров трех иерархических масштабных уровней;

- в разработке новых методов управления напряженно деформированным состоянием скального массива, использующих взаимные подвижки породных блоков в качестве управляющего фактора.

Практическая значимость работы заключается:

- в повышении безопасности эксплуатации капитальных подземных выработок, позволяющем сократить затраты на их крепление;

- в улучшении эксплуатационных показателей очистных камерных выработок, обеспечивающем повышение качества добываемой рудной массы и сокращение затрат на ее обогащение;

- в обеспечении возможности применения высокопроизводительных систем с открытым очистным пространством в условиях высокого горного давления и в сложных геотехнологических ситуациях.

Личный вклад автора состоит:

- в обосновании задач исследования, формулировке рабочих гипотез, разработке схем и методик решения;

- в постановке, проведении и последующей обработке результатов аналитических и натурных исследований и экспериментов;

- в разработке и теоретическом обосновании новых методов управления горным давлением, методик и технологий их применения;

- в проведении опытно промышленной проверки и внедрении новых методов управления горным давлением на предприятиях.

Реализация результатов работы. Диссертационная работа базируется на результатах натурных исследований и промышленных экспериментов, выполнявшихся на шахтах Донского ГОКа, Богословского и Гороблагодатского рудоуправлений в 1979 - 2003 гг. в рамках хоздоговорной и госбюджетной тематики, в ходе которых были проведены успешные опытно-промышленные испытания новых методов управления горным давлением. Внедрение результатов диссертационной работы осуществлено на шахтах "Северная" и "Южная" Гороблагодатского рудоуправления, шахте "Центральная" Донского ГОКа и шахте "Се-

веропесчанская" Богословского рудоуправления. Полученный фактический экономический эффект превышает миллион рублей в ценах 1989 г.

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на: VIII всесоюзном семинаре "Измерение напряжений в массиве горных пород" (г. Новосибирск -1982); I, И, Ш и IV всесоюзных конференциях молодых ученых "Интенсификация горнорудного производства" (г. Свердловск - 1983,1985,1986, 1989); V всесоюзном семинаре "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород" (г. Новосибирск - 1985); отраслевой конференции "Комплексное и рациональное освоение железорудных месторождений" (г. Губкин- 1988); международном симпозиуме "Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций" (г. Москва-г. Пермь - 1995); международной конференции "Геомеханика в горном деле - 96" (г. Екатеринбург- 1996); X межотраслевом координационном совещании по проблемам геодинамической безопасности (г. Екатеринбург- 1997); международной конференции "Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельников-ские чтения)" (г. Екатеринбург- 1998); международных конференциях "Геомеханика в горном деле- 2000" и "Геомеханика в горном деле- 2002" (г. Екате-ринбург-2000 и 2002); международной конференции EUROCK-2001 (г. Хельсинки - 2001); на постоянно действующем региональном семинаре Уральской школы геомехаников (г. Екатеринбург- 2000- 2003 гг.), а также на научных советах ИГД УрО РАН и технических совещаниях горнодобывающих предприятий Урала и Казахстана.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 33 печатные работы. Основные положения диссертации опубликованы в 26 работах, включая 5 авторских свидетельств на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 333 страницах машинописного текста, в том числе 56 рисунков, 22 таблиц, списка литературы из 250 наименований и отдельного тома Приложений с метрологическим паспортом, результатами натурных измерений и справками о внедрении научных результатов диссертационной работы.

Проведение натурных исследований и промышленное внедрение результатов диссертационной работы проводилось на горнорудных предприятиях Урала и Казахстана, где автор встретил заинтересованность и поддержку и работникам которых он искренне признателен. Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность научному консультанту доктору технических наук А.Д. Сашурину, а также своим наставникам докторам технических наук В.Е. Боликову и А.В. Зубкову за помощь в подготовке работы и конструктивное обсуждение рассматриваемых в ней научных проблем. С особой теплотой автор отмечает большую роль профессора Н.П. Влоха - своего первого учителя в области механики скальных породных массивов, предопределившего общее направление исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1 Современное состояние проблемы и задачи исследований

Актуальность обеспечения устойчивости подземных выработок требует разработки более эффективных технологий управления напряженно-деформированным состоянием их конструктивных элементов. Это обосновывает выделение задачи исследования процессов формирования поля статических напряжений и деформаций в окрестностях выработок, сооружаемых в иерархически блочных массивах скальных горных пород, в самостоятельную актуальную научную проблему.

В настоящее время ведущими в этом направлении исследований являются научные школы геомехаников России и стран СНГ, представленные плеядой таких ученых, как Адушкип В.В., Айтматов И.Т., Баклашов И.В., Барях А.А., Булычев Н.С., Ветров СВ., Замесов Н.Ф., Зубков А.В., Ким Д.Н., Константинова С.А., Кочарян Г.Г., Кузнецов Г.Н., Кузнецов СВ., Курленя М.В., Леонтьев А.В., Либерман Ю.М., Линьков A.M., Лодус Е.В., Одинцев В.Н., Опарин В.Н., Протосеня А.Г., Ревуженко А.Ф., Родионов В.Н., Ставрогин А.Н., Стажевский СБ., Степанов В.Я., Тарасов Б.Г., Филатов Н.А., Фотиева Н.Н., Шемякин Е.И., Шрепп Б.В., Шуплецов Ю.П., Яковлев Д.В., Ямщиков B.C. и др.

Аналитические исследования состояния проблемы показали, что наряду с успехами и достижениями имеются существенные резервы, способные вывести эту область знания на качественно новый уровень. До сих пор вне практического использования оставались процессы статического разрушения и запредельного деформирования окружающего выработку блочного скального массива, происходящие в форме разнонаправленных подвижек его структурных элементов вследствие воздействия техногенного поля статических напряжений, формирующегося в процессе ведения горных работ. Даже в методах, направленных на искусственное нарушение сплошности деформируемой среды, процессы запредельного деформирования не рассматривались, а учитывался лишь конечный результат разгрузки от предельных напряжений. Существующие методики геомеханического районирования массива также практически не учитывали изменений его напряженно- деформированного состояния, происходящих вследствие подвижек иерархических структурных блоков.

Такое положение явилось следствием недостаточности существующих знаний о закономерностях запредельных деформационных процессов, протекающих в реальных иерархически блочных массивах скальных горных пород. Выявление этих закономерностей, построение адекватной модели механического состояния деформируемого массива и разработка на ее основе новых методов управления горным давлением представляет собой решение важной научной проблемы, актуальной для современной геомеханики, что обусловило постановку цели и задач диссертационных исследований.

Глава 2 Обоснование геомсханнческой модели процесса деформирования и разрушения массива скальных горных пород рудных месторождений вокруг подземных выработок под действием статических нагрузок

Анализ геотехнологических и геомеханических условий подземной разработки рудных месторождений выявил их типичные особенности, с учетом которых были выполнены аналитические исследования по выделению факторов, определяющих механическое состояние подземных выработок в иерархически блочном скальном массиве. Современные экспериментальные данные о процессах статического деформирования и разрушения скальных пород свидетельствуют, что ключевым фактором, определяющим качественные и количественные характеристики деформационного процесса на запредельных стадиях, является иерархически блочное структурное строение среды, параметры которого при этом сами зависят от динамики деформирования и разрушения породного массива под действием техногенного поля статических напряжений, формирующегося вокруг горных выработок.

На основании сравнительного анализа большого числа натурных данных о количественных характеристиках иерархически блочного строения реальных массивов скальных горных пород и экспериментально установленных критериев применимости геомеханических моделей было сделано заключение: с одной стороны - о практической невозможности построения полностью континуальной модели запредельного деформационного процесса, вследствие необходимости учета дискретности деформируемой иерархически блочной среды, и с другой стороны - о практической невозможности построения полностью дискретной модели, вследствие трудности задания граничных условий и деформационных характеристик для всего огромного множества структурных блоков и неоднородностей, формирующих породный массив в окрестностях реальной горной выработки.

В предлагаемом решении проблемы выделенные особенности техногенного поля напряжений и деформаций, которые прежде являлись факторами, усложняющими построение геомеханической модели, выступили базой для дискретизации деформационного процесса. Идея, положенная в основу диссертационной работы, заключается в использовании для управления напряженным состоянием при запредельном деформировании скального массива явления диссипативного структурирования, проявляющегося в образовании консолидированных породных блоков, подвижки которых вносят существенную дискретизацию в поле техногенных напряжений и деформаций и, таким образом, позволяют вводить поправки в граничные условия, определяющие параметры механического состояния упругой континуальной среды.

В геомеханике до настоящего времени изучение феномена самоорганизации блоковых породных структур в натурных условиях ограничивалось, главным образом, пространственными и временными масштабами геофизических исследований: при взрывных и вибрационных воздействиях на массив. Между тем логично было предположить, что диссипативное структурирование блочных массивов скальных горных пород должно проявляться и на более крупно-

масштабных пространственно-временных уровнях, в том числе и при энергетическом воздействии техногенного поля статических напряжений, формирующегося вокруг подземных выработок, выработанных пространств и зон обрушения шахт в процессе ведения горных работ.

Принятие гипотезы о наличии на запредельных стадиях деформирования иерархически блочных скальных массивов явления диссипативного структурирования обусловило генетическую взаимосвязь процессов формирования вторичных блоковых структур с параметрами внешнего энергопоступления, определяемого изменениями напряженного состояния среды. В таких условиях процессы структурирования проявляются в форме разнонаправленных подвижек его отдельных объемов (консолидированных блоков), вносящих дифференциацию в поле техногенных напряжений и деформаций на различных масштабных уровнях, что является значимым фактором, влияющим на устойчивость подземных выработок. Этот фактор позволил дискретизировать деформационный процесс на базе ограниченного числа основных пространственно-временных уровней (источников) формирования техногенного поля статических напряжений. Для условий подземной разработки рудных месторождений было выделено два таких источника, а именно:

- поле, формирующееся вокруг рассматриваемой выработки в процессе ее проходки или выемки прочих породных объемов (аналогичных масштабов) в прилегающем массиве;

- поле, формирующееся вокруг зоны обрушения шахты в процессе выемки рудной залежи системами с обрушением.

На этом основании составлена геомеханическая модель, учитывающая дискретизацию деформационного процесса на трех иерархических масштабных уровнях, отражающих процессы консолидации породных блоков: на 1-м уровне - в области влияния зоны обрушения шахты; на П-м уровне - в области влияния рассматриваемой выработки; на Ш-м уровне - в приконтурном массиве выработки. В отличие от дискретных геомеханических моделей, базирующихся на иерархии геометрических параметров структурных блоков, выделена иерархия напряжений и деформаций. Напряженное состояние на каждом иерархическом уровне складывается из суммы полей напряжений: напряжений предшествующего (более крупномасштабного) уровня и дополнительных напряжений, обусловленных техногенными деформациями массива на рассматриваемом уровне, в которых и предложено учитывать процессы запредельного деформирования путем внесения в параметры упругой континуальной среды соответствующих поправок на процессы блоковых подвижек. В общем виде модель можно записать в следующей форме:

- первоначальное напряженное состояние нетронутого массива (граничные силовые условия 1-го масштабного уровня)

1° = 7°гра» + Д7°тасг, (1)

- 1-й масштабный уровень, определяющий напряженное состояние массива в окрестностях рассматриваемой подземной зыработки (граничные условия 11-го уровня)

f = ^0 + Af, (2)

- И-й масштабный уровень, определяющий напряженное состояние при-контурного массива выработки (граничные условия Ш-го уровня)

- Ш-й масштабный уровень, определяющий устойчивость рассматриваемого участка породного обнажения контура выработки

К"|<1[<тШ]|, (4)

где 7° - тензор напряженного состояния нетронутого массива, МПа; 7%ав, АТ°пгт - составляющие 7°, соответственно, гравитационная и тектоническая, МПа;

71 - тензор напряженного состояния массива в районе рассматриваемой выработки, МПа;

Д71 - добавочная составляющая 71, обусловленная техногенными деформациями массива вследствие образования и развития зоны обрушения, МПа; До"е - добавочные максимальные главные нормальные напряжения, концентрирующиеся на рассматриваемом участке приконтурного массива вследствие проходки выработки, МПа;

о в - напряжения, действовавшие там в том же направлении в отсутствие выработки, МПа;

о"е - суммарные главные нормальные напряжения, действующие по касательной к контуру породного обнажения выработки, МПа; [о"1] - предел длительной прочности рассматриваемого участка обнажения приконтурного массива выработки, МПа;

Для подтверждения принятой рабочей гипотезы и определения неизвестных параметров Д71 и До"е, отражающих закономерности запредельного деформационного процесса, выполнен комплекс экспериментально-аналитических исследований, представленных в главе 3.

Глава 3 Исследование закономерностей запредельного деформирования скального массива в процессе формирования техногенного поля статических напряжений вокруг горных выработок

В соответствии с поставленными задачами обоснована методика экспериментальных работ, предусматривающая соединение крупномасштабных инструментальных натурных исследований с современными методами математического моделирования. Учитывая результаты анализа современного состояния проблемы, для проведения натурных исследований был задействован комплекс деформационных систем геоконтроля, включающий: повторное измерение де-

формационного базиса (реперных линий), в том числе с использованием технологий спутниковой геодезии GPS; щелевую разгрузку; буроскопическое зондирование и каротаж скважин в комбинации с геофизическими методами электрометрического зондирования приконтурного массива подземных выработок. Для математического моделирования применяли численный метод граничных элементов (программа ELAST-2 ИГД СО РАН) с использованием методик ИГД УрО РАН по учету трех-мерности выработок и оценке прочностных и деформационных свойств горного массива.

Первоначально исследовали закономерности формирования допредельного и условия перехода в запредельное напряженно-деформированное состояние приконтурного массива выработок. Для этой цели на базе очистных камер было выполнено численное математическое моделирование типовых условий нагру-жения и деформирования контура и приконтурного породного массива подземных выработок большого сечения. По результатам моделирования выявлена существенная неравномерность распределения главных нормальных напряжений а"в на контуре выработок: наряду с высокой концентрацией сжимающих напряжений в углах наличие участков кровли с растягивающими напряжениями. При этом характерной особенностью перехода скального приконтурного массива в предельное состояние являлось то обстоятельство, что при крутых углах наклона кровли высокие горизонтальные напряжения вызывают растяжение, которое не могут скомпенсировать вертикальные напряжения, а при пологих углах растяжение от вертикальных напряжений компенсируется горизонтальными, и на контуре кровли обеспечивается сжатие. В таких условиях управление напряженно-деформированным состоянием приконтурного массива, направленное на обеспечение устойчивости выработки, сводится к недопущению растягивающих напряжений о"в при обеспечении критерия (4) по сжимающим напряжениям, что наиболее эффективно осуществлять путем применения поддерживающих междуэтажных (подэтажных) целиков. В качестве основного расчетного и управляющего параметра, характеризующего влияние поддерживающих целиков на напряженное состояние кровли, предложено использовать удельную реакцию противодействия N численное значение которой (МН/м) определяется решением упругой задачи через усреднен-ную величину максимальных главных нормальных сжимающих напряжений стц (МПа), действующих в целике и препятствующих смещению висячего и лежачего боков залежи.

N=-vaL, (5)

где L - ширина целика, м.

Направленность реакции N целесообразно представлять через ее составляющие: нормальную, действующую перпендикулярно к плоскости кровли камеры,

N± = N sin (у + а), (6)

и касательную, действующую параллельно плоскости кровли,

где - угол наклона вектора удельной нагрузки на целик и, соответственно, удельной реакции N его противодействия, град; - угол наклона плоскости кровли камеры, град.

Наличие целика обеспечивает на контуре кровли прилегающих камер добавочные напряжения

ДсЛ-ЛГаАТх + ЛГ, ЛГ||, (8)

где К±., /Гц - коэффициенты концентрации удельных реакций противодействия -целика, соответственно,

Количественные закономерности влияния на кровлю камер единичных реакций Л! и Щ, составляющих 1 МН/м и распределенных на базе 0,1 ширины выработанного пространства исследовали при различных геомеханических ситуациях и форме выработанных пространств в условиях плоской деформации. Результаты моделирования подтвердили правомочность (с погрешностью до 15%) замены целика усредненными реакциями его противодействия при

рассмотрении напряженного состояния участков кровли, отстоящих от целика на расстояние, превышающее его удвоенную ширину. Было выявлено, что при наличии открытой зоны обрушения значения практически не зависят от

формы и размеров зоны обрушения и определяется лишь относительными координатами рассматриваемой точки кровли и целика. Графики, отражающие эти зависимости, приведены нарис. 1, где: - расстояние от торца камеры до 1 й точки кровли; Ьт - расстояние от торца камеры до ближайшей границы выработанного пространства (длина консоли висячего бока);.£„- то же, но до оси целика.

Знак при определяется направлением реакции поскольку реакция вызывает на контуре кровли как растягивающие (положительные) напряжения, так и сжатие, в зависимости от ее направленности. Значения ¡отрицательны, когда Л^ направлена в сторону рассматриваемой камеры, и наоборот. Качественно аналогичные зависимости влияния реакций Л^ на напряженное состояние приконтурного массива получены также и при отсутствии выхода зоны обрушения на дневную поверхность. Однако в этих ситуациях параметры и .АГц уже в существенной степени зависят от формы и относительных размеров выработок и выработанных пространств.

Проверку соответствия полученных зависимостей реальным условиям осуществляли путем их сопоставления с результатами натурных исследований и промышленных экспериментов. В основном использовали данные, полученные в условиях высокомодульного скального массива Гороблагодатского железорудного месторождения на ш. "Северная", отрабатывающей слепую пластооб-разную залежь подэтажно- камерной системой со штрековой подготовкой и скважинной отбойкой. Путем мониторинговых инструментальных наблюдений

установлено, что переход приконтурного массива очистных камер в предельное состояние первоначально происходит на локальных участках породного обнажения, где в процесс взаимных подвижек вовлекаются структурные блоки, размеры которых соизмеримы с расчетными участками концентрации предельных напряжений, а именно - порядка дециметров. Местоположение участков, а также соотношение составляющих ^ и Щ даже в условиях предельного состояния поддерживающих целиков соответствуют модельным представлениям о деформировании линейно-упругой континуальной среды, что подтверждает сопоставление расчетных деформаций контура подцеликовых штреков и замеренных значений этих деформаций, происходивших как вследствие выемки очистных камер, так и вследствие последующего погашения поддерживающих целиков. Коэффициенты корреляции между приращениями деформаций в численных математических моделях и в натурных условиях превышали 0,9.

0,04

0,02

О

*орг

к„ ------

о щ о,г о,з о,*- о.з д

1- 1ц / = 0,5; 2 - 1ц / Ьт = 0,7; 3 - 1ц / £„„ = 0,95. Рисунок 1 - Коэффициенты концентрации единичных реакций ЛГ± и Л^ противодействия целика на контуре кровли камеры.

По результатам экспериментально- аналитических исследований сделано заключение, что кардинальное изменение напряженного состояния приконтур-ного массива камерной выработки со сменой знака и направления главных нормальных напряжений можно обеспечить за счет изменения направления ре-

акции противодействия прилегиощего поддерживающего целика, количественные параметры которой определяются решением упругой задачи. Для переориентировки реакции противодействия целика необходимо обеспечить подвижки крупномасштабных (соизмеримых с размерами рассматриваемой выработки) породных блоков окружающего массива, что потребовало натурных исследований закономерностей запредельного поведения больших объемов скального массива в окрестностях подземной выработки. Такие исследования были проведены в условиях низкомодульного серпентинитового массива Донского хро-митового месторождения.

Анализ результатов многомесячных мониторинговых инструментальных наблюдений за деформационными процессами, протекающими в приконтурном массиве при проходке горизонтальных и вертикальных выработок на ш. "Центральная" Донского ГОКа в сопоставлении с результатами аналогичных наблюдений, проводившихся в России и за рубежом, подтвердил рабочую гипотезу о диссипативном структурировании блочных скальных массивов в условиях запредельного напряженно-деформированного состояния. По деформациям крепи и контура выработок в процессе проходки, а также изменениям электросопротивления приконтурного массива и смещениям установленных в нем глубинных реперов было экспериментально зафиксировано, что диссипативное структурирование в горном массиве происходит аналогично тому, как и в деформируемых лабораторных материалах. Эти процессы проявляются в следующих формах: пространственных - в явлении формирования консолидированных породных блоков, рывкообразно смещающихся относительно друг друга; временных - в знакопеременности этих смещений. Консолидированные блоковые структуры накладываются на первичное иерархическое строение деформируемой среды. При этом проявляется такая особенность, отражающая явление диссипативного структурирования, как зависимость размеров консолидированных структур от размеров зон предельных техногенных напряжений, формирующихся в процессе проходки выработок, что составляет десятки сантиметров для зоны влияния шахтных стволов и метры - для зоны влияния камер околоствольных дворов. Амплитуды знакопеременных смещений и деформаций консолидированных породных блоков определяются интенсивностью приращений поля техногенных напряжений и, составляя ± 0,1\ ± 1 мм/м, соизмеримы с трендовыми значениями запредельных деформаций приконтурного массива выработок.

На основании натурных исследований сделано заключение о практической значимости фактора диссипативного структурирования скального массива для оценки его напряженно-деформированного состояния в окрестностях подземных выработок большого сечения и, соответственно, нахождения граничных силовых условий при расчетах напряженного состояния более мелкомасштабных объемов пород и объектов геотехнологии. Между тем при формировании техногенного поля статических напряжений вокруг крупных выработанных пространств и зон обрушения шахт в роли таких мелкомасштабных объектов оказываются сами рассматриваемые выработки. Это обстоятельство выводило исследования на I масштабный уровень геомеханической модели.

Для выявления характерных закономерностей формирования запредельного напряженно-деформированного состояния вокруг крупномасштабных зон обрушения была задействована ш. "Северопесчанская" Богословского РУ. Применяемая на шахте система с обрушением при сравнительно высоком уровне тектонических напряжений и интенсивности ведения горных работ обусловливает развитый процесс деформирования типичного иерархически блочного скального массива вокруг типичной зоны обрушения при наличии благоприятных условий для проведения мониторинговых деформационных исследований не только в подземных выработках, но и на земной поверхности: вследствие малой мощности покрывающего слоя наносов (не превышающей 3 - 5 % общей мощности подрабатываемой скальной толщи). Регулярные инструментальные исследования деформирования породного массива вокруг зоны обрушения ш. "Северопесчанская" проводили с 1974 г. На поверхности шахтного поля оборудованы 17 реперных линий и 4 линии проложены в квершлагах клетевого ствола на глубинах от 160 до 440 м. Линии включают более 250 забетонированных реперов, интервал между реперами 15 - 20 м, общая протяженность линий -свыше 6 км. Периодические замеры вертикальных и горизонтальных смещений реперов с 1974 по 1988 г выполняли раз в полгода, а с 1988 г- раз в год. Качественные и количественные закономерности деформационного процесса исследовали путем сопоставительного анализа результатов натурных инструментальных исследований и численного математического моделирования, отображающего упругое деформирование породного массива вокруг зоны обрушения (за пределами области проявления разрывных трещин, обусловленных гравитационным оседанием подработанной породной толщи) в процессе ее развития.

Анализ полученных натурных данных показал, что в окрестностях зон обрушения шахт проявляются те же характерные особенности запредельных де-форма-ционных процессов, как и вокруг подземных выработок, однако пространственно- временные масштабы составляют уже не метры и сутки, а сотни метров и годы. После превышения предела длительной прочности [е] « 1 мм/м в массиве начинаются процессы запредельного деформирования, сопровождаемые вторичным структурированием среды, проявляющимся через формирование крупных, соизмеримых с размерами формирующихся участков предельных деформаций и напряжений, консолидированных блоков массива, выделяемых по их разнонаправленным подвижкам. Вследствие этого в прежде практически однородном деформационном поле возникают зоны концентрации деформаций, приуроченные к границам консолидированных блоков. В соответствии с положениями неравновесной термодинамики эти участки деформируемой среды, рассматриваемой как континуальная, служат каналами для более интенсивной диссипации внешнего энергопоступления, в качестве которого выступает формирующееся техногенное поле статических напряжений. Как и в условиях подземных выработок, о диссипативной природе консолидированных блоков, формирующихся в окрестностях зон обрушения, свидетельствует корреляционная зависимость их размеров от интенсивности приращений техногенных напряжений, выявленная по результатам анализа натурных данных об изменчивости техногенного деформационного поля. В итоге, те участки массива, которые по-

падают в пределы консолидированных блоков, оказываются в менее деформированном и напряженном состоянии, по отношению к значениям упругого решения, а междублоковые участки, соответственно, в более. В качестве примера на рис. 2 приведены деформации интервалов подземной реперной линии, оборудованной в квершлаге на глубине 160 м, по которым с конца 70-х годов проявляются два консолидированных геоблока с линейными размерами порядка 100 м (реперные интервалы 0м-Шми131м-216м)и два междублоковых участка шириной 20 - 24 м (в пределах интервалов 111м-131ми216м - 240 м).

6

координата репера, м

■в—1974-1976 факт —О—1974-1980 факт —¿г— 1974-1986 факт" | В— 1974-1996 факт - -О- • 1974-1996 расчетн.

Рисунок 2 - Замеренные и расчетные горизонтальные деформации реперных интервалов линии гор. + 40 м.

Поскольку блоковые подвижки не нарушали энергетического баланса системы в целом, то при рассмотрении обобщенных реперных интервалов, включающих консолидированных блоки и междублоковые участки массива, значения замеренных деформаций (усредненных по трендовым полиномиальным кривым с достоверностью аппроксимации Л2 = 0,8 -1- 0,9) на всех этапах моделирования соответствовали расчетным, полученным в результате математического моделирования, которые отражали трендовое растяжение массива в радиальном и сжатие в касательном к границе зоны обрушения направлении. Данные же корреляционного анализа по более чем 2500 парам фактических и расчетных значений деформаций реперных интервалов свидетельствовали, что при переходе массива в стадию запредельного деформирования корреляционная связь между упругой моделью и натурой не только не ослабевала, но увеличивалась до значений коэффициента корреляции г = 0,6, превышающих утроенное среднеквадратичное отклонение в 8 раз. Этот, кажущийся парадоксальным,

факт является закономерным следствием снижения степени влияния флуктуа-ционных колебаний замеряемых значений по мере увеличения общего уровня деформаций массива, что также подтверждает корректность сопоставительного анализа.

На дискретную модель деформирования массива крупномасштабные процессы в окрестностях зоны обрушения ш. "Северопесчанская" выходят лишь при существенном увеличении временной базы инструментальных наблюдений, о чем свидетельствовали результаты повторного определения координат пунктов геодезического обоснования 1963 г. Направления выявленных смещений этих пунктов (на 56-395 мм), произошедшие за 40 лет относительно пунктов государственной триангуляционной сети, отстоящих от зоны обрушения на 4-5 км, указывали на блоковые подвижки по крупным тектоническим нарушениям массива, выделяемым геолого-морфологическими методами.

Во временных масштабах подземной геотехнологии (порядка нескольких лет) количественные зависимости, отражающие влияние подвижек консолидированных породных блоков на параметры деформирования упругой континуальной среды, получены на основании анализа точечных диаграмм рис. 3. Сопоставлены расчетные и фактические приращения деформаций массива отдельно по консолидированным блокам и междублоковым участкам, а также их суммарные значения по обобщенным интервалам для каждой репер-ной линии. Результаты статистической обработки диаграмм, представленные в таблице, свидетельствуют о линейной зависимости В соответст-

вии с качественной оценкой меры анализируемых связей по шкале Чеддока, полученные показатели индекса корреляции Я указывают, что большая часть вариации результативного признака находится под влиянием изучаемых факторов, и, соответственно, синтезированные на их основе эмпирические зависимости пригодны для практического использования.

Сопоставительная оценка расчетных Аермч и замеренных ДЕфакт значений деформации массива в окрестностях зоны обрушения

Параметры аппроксимирующих прямых

Количество сопоставляемых пар зна-

Достоверность аппроксимации Я2 (индекс корре-

Среднеквадратичное отклонение значений ДБфагг ОТ аппроксимирую-

Критерий Стьюдента при доверительной вероятности

Доверительный интервал значений

Дефахт- Д^ласч По междублоковым участкам 26 10,76 (0,87) | 0,777 2,06 1±0,31

Де4а1ст= 0,5 ДЕрасч По консолидированным геоблокам 20 (0,61 (0,78) | 0,119 2,09 I ±0,06

Д^акт= 1,1 ДЕотс, По обобщенным интервалам 16 10,91 (0,96) | 0,163 2,06 | ±0,08

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

расчетная деформация, мм/м

♦ по обобщенным интервалам □ по консолидированным геоблокам •• Л по междублоковым участкам -—Линейный (по обобщенным интервалам) — Линейный (по консолидированным геоблокам) —Линейный (по междублоковым участкам)

Рисунок 3 - Сопоставительная оценка расчетных и замеренных значений деформаций массива в окрестностях зоны обрушения.

Согласно положениям (1) - (4) техногенные деформации массива в окрестностях зоны обрушения определяют дополнительные напряжения При этом динамическое непрерывно изменяющееся техногенное деформационное поле заменяется эквивалентным квазистатическим, соответствующим текущему этапу развития горных работ, напряженное же состояние массива в окрестностях рассматриваемой выработки определяется тем, находится ли выработка в пределах консолидированного геоблока или на междублоковом участке. Между тем, полученные эмпирические зависимости отражают заведомо стохастические и неравновесные процессы. Результаты же натурных исследований свидетельствуют, что флуктуационная изменчивость значений Д£фа„, амплитуда

которой зачастую превышает величину трендовых изменений напряженно-деформированного состояния массива, определяется не погрешностями измерений, которые более чем на порядок ниже, но свойствами самой блочной среды и особенностями ее запредельного деформирования. В связи с этим были выполнены ретроспективные исследования по выявлению характерных условий и закономерностей пространственно-временного "существования" консолидированных геоблоков в процессе выемки рудной залежи и, соответственно, развития зоны обрушения.

Ретроспективный анализ флуктуационной изменчивости деформационного поля также базировался на результатах вышеописанных долговременных мониторинговых инструментальных наблюдений. Исследовали закономерности полугодовых и годовых приращений техногенных деформаций, которые проявлялись на фоне трендового деформационного процесса, определяющего диссипа-тивное структурирование массива. Корректность проведения анализа при полугодовой и годовой периодичности натурных наблюдений обоснована результатами комплекса специальных ежемесячных замеров, проводившихся в течение двух лет, которые показали, что существенные подвижки консолидированных участков массива, характеризуемые качественно отличными от трендовых деформациями групп реперных интервалов на базах 150- 200 и более метров, превышающих ±0,1 мм/м, происходили в среднем 1-2 раза в год.

Результаты ретроспективного анализа выявили условия и границы применимости представленных в таблице эмпирических зависимостей. С одной стороны, полученные зависимости ограничены условиями возникновения процессов запредельного деформирования: превышением предела длительной прочности массива, составляющего на рассматриваемых базах с другой -сохранением целостности сформировавшегося консолидированного блока, которая зависит от интенсивности внешнего энергопоступления, определяемого техногенным полем статических напряжений, постоянно изменяющимся в процессе развития зоны обрушения. При резком увеличении интенсивности внешнего энергопоступления "пропускной способности" существующих междублоковых участков массива зачастую оказывается недостаточно, и возникают новые каналы для диссипации избыточной энергии. Консолидированный блок расчленяется или существенно изменяет конфигурацию.

Дисперсионный анализ отклонений замеренных значений горизонтальных деформаций реперных интервалов относительно их трендовых полиномиальных кривых показал, что и для консолидированных геоблоков, и для междублоковых участков массива, и для обобщенных реперных интервалов отклонения

представляют собой флуктуационную изменчивость, которая более чем в 90% случаев находится в пределах ±0,1 мм/м. По отдельно же взятым реперным интервалам консолидированных блоков максимальные отклонения замеренных деформаций не превышают 20 - 30 % от трендового уровня и находятся в пределах ±1 мм/м, что соответствует пределу длительной прочности массива [е]. Аналогичные выводы следуют и из анализа степени рассеяния данных точечных диаграмм рисунка 3.

Принимая во внимание вероятностный характер выявленных зависимостей и необходимость обеспечения надежности решения практических задач по управлению устойчивостью подземных выработок, учитываем максимально возможную амплитуду флуктуационной изменчивости техногенных деформаций, соответствующую пределу длительной прочности скального массива на рассматриваемых пространственно-временных базах, а именно: [е] = 0,001 (1 мм/м). В итоге, экстремальные значения техногенных деформаций составят:

- при расположении рассматриваемого породного объема в пределах консолидированного геоблока

- при расположении рассматриваемого породного объема в пределах междублокового участка

где Ае'з(1сб) - фактические экстремальные значения деформации для консолидированного геоблока, с учетом максимальной амплитуды флуктуационной изменчивости:

Ас'зМ) - то же для междублокового участка;

Де'з^пр) - расчетные значения деформации упругой континуальной среды.

Глава 4 Разработка методов управления устойчивостью подземных выработок с использованием подвижек породных блоков окружающего массива в качестве управляющего фактора

I масштабный уровень. Согласно выявленным закономерностям выражение (2) преобразуется в зависимости от того оказалась ли выработка в разгруженном массиве консолидированного блока или на динамичном междублоковом участке.

В первом случае

7,(к6) = 7<) + Д7,(11б) , (И)

— во втором

+ (12)

где 7° - тензор напряженного состояния нетронутого массива;

К*«). До^иб) > До'з^) - тензор дополнительных (техногенных) напряжений рассматриваемого участка массива при расположении выработки в консолидированном породном блоке;

Д7<(м6) »/(До'цмб), До'гсмб). До'з(«б)) - то же при расположении выработки на междублоковом участке массива.

Управление устойчивостью выработки заключается в оптимизации ее проектного положения и расчетах оптимальных параметров на основе учета до-

полнительных напряжений, обусловленных экстремальными техногенными деформациями Де'з и определяемых, в зависимости от местоположения выработки, из выражения (9) или (10). При этом, кроме численной величины техногенных напряжений, в расчетах устойчивых параметров выработки рассматривается также и режим ее нагружения, определяемый последовательностью проходки выработки и деформирования окружающего массива. Имеется в виду учет того, произошли ли техногенные деформации, вызванные влиянием зоны обрушения, до или после сооружения выработки. В последнем случае нагружение будет происходить в режиме заданной деформации, а в условиях, когда выработка к этому времени уже закреплена жесткой крепью, такой режим чреват разрушением крепления.

Вышеописанные положения предопределили методологию оптимизации трассировки выработок, заключающуюся в использовании благоприятной геомеханической ситуации для консолидированных блоков, которые находятся в разгруженном состоянии даже по сравнению с условиями деформирования упругой континуальной среды. На стадии проектирования шахты при прогнозируемой возможности перехода массива в запредельное напряженное состояние следует ориентироваться на наиболее неблагоприятную ситуацию и учитывать вероятность пересечения выработки междублоковой границей, внося в расчеты тройную концентрацию техногенных деформаций в соответствии с зависимостью (10). При проектировании же новых выработок в условиях действующей шахты с развитой зоной обрушения и сформировавшейся системой консолидированных блоковых структур согласно (9) можно рассчитывать на двойную разгрузку тех участков массива, которые оказались в пределах консолидированных блоков, чьи границы выявляются по результатам маркшейдерских и геофизических исследований. И поскольку в этой связи при дальнейшем ведении горных работ важно сохранить сложившуюся трассировку подвижных междублоковых границ, рекомендовано минимизировать приращения техногенных напряжений массива за счет регулирования последовательности выемки рудной залежи. Согласно данным мониторинговых натурных исследований, это позволит удержать амплитуду флукгуационных изменений значения Де1} в пределах 20 - 30% от уровня трендовых техногенных деформаций и обеспечит требуемую стабильность конфигурации и местоположения консолидированных блоков.

II масштабный уровень. Как было установлено проведенными исследованиями, в условиях очистных камерных выработок, разделенных поддерживающими целиками, подвижки прилегающих породных блоков, размеры которых соизмеримы с размерами выработок, способны изменять знак и направление главных нормальных напряжений приконтурного массива кровли камер за счет изменения направления реакции противодействия поддерживающих целиков. При обеспечении управляемости этих подвижек появляется возможность вероятностный процесс запредельного блокового деформирования сделать детерминированным, что позволяет использовать модель деформирования упругой континуальной среды с заданием дополнительного силового воздействия, имитирующего подвижки породных блоков.

Для реализации этой возможности предложено создавать в приконтурном массиве камерной выработки искусственные плоскости ослабления (трещины), пересекающие прилегающий поддерживающий целик и направленные таким образом, чтобы под действием напряжений окружающего массива происходила бы подвижка оконтуренных породных объемов и в результате обеспечивалось целенаправленное изменение напряжений Oq" на контуре обнажения выработки. Для управления напряженным состоянием в различных геотехнологических ситуациях был разработан и защищен авторскими свидетельствами ряд конструктивных схем расположения плоскостей ослабления в поддерживающих целиках. Принцип действия и методика их расчета иллюстрируется на рис. 4 на примере конструкции а.с. № 1508645, обеспечивающей подвижку трех блоков по трещинам 1, 2,3, имеющих значение, соответственно, вспомогательных и основной разгрузочных плоскостей. Условия подвижек по плоскостям определяются следующими зависимостями:

- по вспомогательной трещине

- по вспомогательной трещине

- по основной трещине 3: \|/-<р + 90"> р > у , (13)

где - угол наклона плоскости основной трещины, град; S - угол между плоскостями вспомогательных трещин, град; ф - угол трения горного массива по плоскостям трещин, град; FlF2 компонента удельной нагрузки на целик, действующая в направлении параллельном плоскости вспомогательной трещины, соответственно, первой и второй, МН/м;

PlP2 — компонента удельной нагрузки от веса обрушенных пород, действующая в направлении параллельном плоскости вспомогательной трещины, соответственно, первой и второй, МН/м.

При подвижке породных блоков по трещинам происходит изменение величины и направления вектора удельной реакции N противодействия целика до тех пор пока он не окажется в положении когда угол между ним и перпендикуляром к плоскости основной трещины сравняется с углом трения р, в результате чего новые значения N± И JVj составят:

действующая перпендикулярно плоскости кровли камеры после подвижки блоков по плоскостям трещин, МН/м;

Щ - касательная составляющая, действующая параллельно плоскости кровли камеры, МН/м;

N\ = N sin (у - Р) eos (а + Р + ф) / eos ф ,

(14)

N\ ~ N sin (у - р) sin (а + р + ф) / eos ф ,

(15)

Рисунок 4 - Управление горным давлением путем регулируемых подвижек породных блоков.

Соответственно происходят изменения напряженного состояния прикон-турного массива, в том числе требуемое повышение сжимающих напряжений на контуре кровли нижележащей камеры, условие устойчивости которой, исходя из выражений (4) и (8), определяется неравенством

|[оп1]| > o"e = |oVu) + W'x К± + N't KtI, (16)

или

lío111]! > °Пе = |о"е(ц)+ (N'± - N£) + (Л^'ц -Щ) /ГЦ| , (17)

где о"в -максимальные главные нормальные напряжения, действующие на рассматриваемом участке приконтурпого массива кровли камеры после подвижки блоков, МПа;

о"о(би)> o'Vtt) - максимальные главные нормальные напряжения, действовавшие на рассматриваемом участке приконтурного массива кровли в условиях решения упругой задачи (т.е. до блоковых подвижек), соответственно, при отсутствии целика и при наличии жесткого целика на месте податливого, МПа.

Устойчивые параметры податливого целика определяются с учетом предела прочности массива на воздействие и N\. Для предотвращения в процессе подвижек разрушения целика по краям разгрузочных трещин предложено оконтуривать его стенки с тех сторон, в направлении которых происходят подвижки, под углами Yi ,уг, Уз, определяемыми из условия прочности участков массива на скол.

Методика расчета и принцип работы блочной конструкции податливого целика, защищенной а.с. № 1293340, аналогичны вышеизложенным, поскольку это решение также предназначено для повышения сжимающих напряжений в кровле нижележащей выработки и снижения их в вышележащей, но применяется, когда расположение выработок позволяет выполнить задачу при подвижке только двух геоблоков. На примере целика рис. 4 это решение осуществимо при выходе верхней кромки трещины 3 в вышележащее выработанное пространство, когда отпадает необходимость в подвижке клиновидного блока по плоскостям трещин / и 2. Для повышения же сжимающих напряжений в кровле вышележащей выработки и снижения их в нижележащей предложена конструкция, защищенная а.с. № 1153065, предусматривающая подвижку верхнего блока в сторону вышележащей выработки, что соответствует подвижке по плоскости 1.

Технология создания плоскостей ослабления, разработанная с учетом современных технических и экономических условий подземных горных работ, предусматривает камуфлетное взрывание скважинных или шпуровых зарядов, расположенных в одной плоскости. Методика определения параметров буровзрывных работ базируется на известных методах предварительного щелеобра-зования, для которых в условиях скальных породных массивов опытным путем определены следующие параметры: расстояние между скважинами 10 - 15 их диаметров; диаметр заряда 0,3 - 0,5 диаметра скважины. Оптимизация параметров для конкретных горно-геологических условий осуществляется путем промышленных экспериментов, методика выполнения которых описана в диссертации.

III масштабный уровень. Учитывая, что в условиях хрупко разрушающихся скальных пород переход приконтурного массива подземной выработки в запредельное состояние первоначально происходит на локальных участках ее контура, где в процессы взаимных подвижек вовлекаются породные блоки размерами порядка дециметров, предложено ограничить подвижность этих блоков путем повышения общего уровня междублокового сцепления участка. Это позволяет предотвратить развитие зоны запредельного деформирования и, соот-

ветственно, нарушение целостности контура выработки. Для иерархически блочного скального массива одним из наиболее эффективных и экономичных способов реализации предлагаемой технологии является штанговое крепление с использованием анкеров беззамкового типа, например, железобетонных. Предварительному штангованию подлежат породные объемы приконтурного массива в пределах которых прогнозируется переход главных напряжений а"е в запредельное состояние. В соответствии с выявленными закономерностями местоположение и границы таких участков определяются из решения упругой задачи с учетом критерия прочности Кулона - Мора:

где - угол междублокового трения, численно равный углу внутреннего трения породы, определяемому при лабораторных испытаниях образцов, град; С - усредненная величина сцепления, присущая массиву (на рассматриваемом участке) в отсутствие штангового крепления, МПа;

АС = Р пт - добавочное сцепление, обусловленное штангованием массива, МПа;

- удельное количество штанг, приходящееся на 1 м2 породного обнажения контура выработки, м*2;

Р - максимальное сдерживающее усилие, эквивалентное несущей способности штанги, МН.

На рисунке 4 представлена технология реализации предложенного метода управления устойчивостью приконтурного массива для условий очистной камеры (а.с. № 1608343). При управлении напряженным состоянием приконтур-ного массива камеры за счет подвижек оконтуренных блоков междуэтажного целика происходит сжатие кровли до уровня, позволяющего скомпенсировать действующие там растягивающие напряжения. Однако при этом возможно превышение предельных значений сжимающих напряжений, концентрирующихся в нижнем углу кровли камеры. Выполняемое из бурового штрека предварительное штангование приконтурного массива будущей камеры, в пределах той локальной зоны, где ожидается переход в запредельное состояние, позволяет предотвратить развитие запредельных деформационных процессов и обеспечивает устойчивость кровли.

Глава 5 Опытно-промышленная проверка и внедрение результатов исследований

I масштабный уровень. Учет процессов блоковых подвижек в окрестностях крупномасштабной зоны обрушения впервые реализован на ш. "Северо-песчанская" при составлении проекта отработки фланговых участков основной залежи. Была выполнена оценка влияния объединения основной и северной зон обрушения на напряженно деформированное состояние массива в ближайших окрестностях центральных стволов шахты.

Согласно результатам численного математического моделирования в условиях решения упругой задачи после объединения зон суммарные значения экстремальных техногенных деформаций в районе стволов составляют Де1з(уПр) = 0,002. Результаты многолетних инструментальных наблюдений свидетельствовали, что этот участок массива в настоящее время находится в консолидированном блоке и, в соответствии с зависимостью (9), при учете процессов блоковых подвижек фактический уровень экстремальных техногенных деформаций Ае'з(к6) оказывается совпадающим с расчетными значениями Де'з^пр). которые и учитывались при проектировании крепи стволов. Таким образом, было сделано заключение, что при сохранении существующего положения, когда стволы находятся в пределах консолидированного блока, расширение зоны обрушения не приведет к ухудшению геомеханической ситуации. Между тем, если стволы окажутся на междублоковом участке массива, то, в соответствии с (13), экстремальные техногенные деформации составят Де'з^б) = 0,006± 0,001, что обусловит максимальные добавочные напряжение! До'з = 9,4 МПа, способные привести к нарушениям крепления капитальных выработок. В этой связи, для удержания флуктуационной изменчивости техногенных деформаций в пределах 20 -30 % от их трендовых значений, была рекомендована последовательно попа-нельная отработка флангов залежи с регулярным инструментальным контролем за деформированием окружающего массива. Мероприятие направлено на сохранение существующего положения консолидированных блоков путем минимизации приращений техногенного поля статических напряжений, формирующегося вокруг зоны обрушения.

Аналогично решена для ш. "Южная" Гороблагодатского РУ проблема обеспечения устойчивости выработок околоствольных дворов гор. -320 и -480 м: на основе учета блоковых подвижек скального массива в окрестностях крупного тектонического разлома, находящегося под влиянием зоны обрушения шахты.

II масштабный уровень. Мероприятия по управлению горным давлением путем регулируемых подвижек породных блоков приконтурного массива очистных камер опробованы и внедрены на ш. "Северная" Гороблагодатского РУ. Промышленные эксперименты по созданию в скальном массиве плоскостей ослабления проведены при разработке этажа ±0 +60м, где в натурных условиях были определены оптимальные параметры буровзрывных работ и отработана технология создания плоских трещин. Управление горным давлением путем направленных подвижек породных блоков по технологии а.с. № 1153065 осуществляли при отработке вышележащего этажа +60\+ 110 м. Создание в междуэтажных целиках плоскостей ослабления, наклоненных под углом в сторону вышележащих очистных камер, вызывало подвижки в том же направлении верхней части целиков, что позволяло компенсировать растяжение кровли камер и обеспечивать их устойчивость. Управляемые изменения напряженно-деформированного состояния приконтурного массива были подтверждены натурными замерами деформаций контура подэтажных штреков. Блоковые подвижки контролировали по наблюдательным скважинам. При отработке нижележащих горизонтов -45 и -80 м, осуществляемой в традиционной последо-

вательности - сверху вниз, шахта полностью перешла на новую технологию управления горным давлением, применяющуюся до настоящего времени. Для снижения сжимающих напряжений, концентрирующихся в верхней части очистных камер, в междуэтажных целиках формируют плоские трещины с наклоном 10° в сторону нижележащих камер, что обеспечивает подвижки вышележащих объемов приконтурного массива в противоположную сторону. Внедрение новой технологии увеличило долю камерных запасов по шахте на 12 - 24 %, что обеспечило повышение качества добываемой рудной массы за счет уменьшения разубоживания и, в конечном итоге, снижение себестоимости конечной продукции обогащения - рудной мелочи и концентрата.

III масштабный уровень. Ограничение подвижности породных блоков приконтурного массива подземных выработок осуществлено на ш. "Центральная" Донского ГОКа при строительстве руддвора гор. -160 м ствола "Вспомогательный". Выполнено штангование блочного массива, находящегося в запредельном напряженно-деформированном состоянии между насосной камерой и сопряжением ствола, для чего использовали буровые перфорированные штанги диаметром 85 мм, забетонированные в скважины. Аналогичную технологию применили на ш. "Южная" Гороблагодатского РУ при строительстве руддвора гор. -320 м. Мероприятия позволили снизить амплитуду междублоковых подвижек более чем на порядок, что обеспечило безопасность строительства капитальных выработок.

Заключение

Диссертация является законченной квалификационной научной работой, в которой на основании экспериментальных и теоретических исследований решена крупная научная проблема, имеющая важное хозяйственное значение, заключающееся в управлении напряженно-деформированным состоянием скального массива для обеспечения устойчивости горных выработок при подземной разработке рудных месторождений.

Основные научные и практические результаты работы:

1 На основе большого объема натурных инструментальных исследований, проведенных автором в течение 23 лет на подземных рудниках Уральского региона, где в различных геотехнологических ситуациях и геомеханических условиях в горных выработках и на дневной поверхности было оборудовано более 200 замерных станций и выполнено свыше 5000 замеров, установлены основные закономерности запредельного деформирования иерархически блочных массивов скальных горных пород. Впервые путем натурных деформационных замеров на различных пространственно-временных базах (от дециметров до 4 -5 км и от недель до 40 лет) выявлено, что в условиях запредельного напряженно- деформированного состояния в массивах скальных горных пород под воздействием техногенного поля статических напряжений происходят процессы структурирования, проявляющиеся на фоне существующего иерархически блочного строения среды в форме консолидированных породных объемов (блоков), выделяемых по их знакопеременным подвижкам. Интенсивность этих

процессов такова, что они являются значимым фактором, влияющим на устойчивость горных выработок, а именно: амплитуды знакопеременных деформаций превышают ± 0,1 мм/м и проявляются на базах, соизмеримых с размерами подземных выработок большого сечения и зонами обрушений рудных шахт.

2 Экспериментально установлено, что структурирование скального массива, находящегося в запредельном напряженно-деформированном состоянии на различных пространственно-временных базах, происходит в соответствии с модельными представлениями о термодинамически открытой неравновесной (диссипативной) системе, которые предусматривают генетическую корреляционную взаимосвязь процесса формирования диссипативных структур, в форме консолидированных породных блоков, с параметрами внешнего энергопоступления, в качестве которого выступает техногенное поле статических напряжений, формирующееся вокруг горных выработок. На основе выявленного явления диссипативного структурирования разработана геомеханическая модель, отличающаяся дискретизацией запредельного деформационного процесса на трех иерархических масштабных уровнях, отражающих пространственно-временные параметры техногенного поля статических напряжений, формирующегося вокруг горных выработок и крупномасштабных зон обрушений рудных шахт, и параметры диссипативных структур, проявляющихся в форме консолидированных блоков деформируемого массива. 1-й уровень определяет напряженное состояние породного массива в окрестностях рассматриваемой выработки, П-й уровень - напряженное состояние приконтурного массива выработки и Ш-й уровень - устойчивость рассматриваемого участка породного обнажения контура выработки.

3 На основе теоретических положений разработанной геомеханической модели впервые для управления устойчивостью подземных выработок предложено учитывать и использовать процессы подвижек консолидированных породных блоков, вносящих существенную дифференциацию в поле техногенных напряжений и деформаций, путем введения поправок в граничные условия, определяющие параметры напряженно-деформированного состояния упругой континуальной среды на трех масштабных уровнях модели: в приконтурном массиве подземной выработки, в области ее геомеханического влияния и в области влияния зоны обрушения шахты.

4 Путем сопоставительного анализа результатов математического моделирования и крупномасштабных натурных исследований выявлены количественные параметры механического состояния скального массива, находящегося в области геомеханического влияния зон обрушения рудных шахт в условиях запредельного деформирования. Установлено, что процессы блоковых подвижек обуславливают существенную неравномерность деформационного поля, из-за чего экстремальные значения техногенных деформаций массива в пределах консолидированных блоков снижаются в 2 раза, а на междублоковых участках возрастают в 3 раза относительно соответствующих значений деформаций упругой континуальной среды. При этом максимальная амплитуда их флуктуаци-онной изменчивости находится в пределах ± 1 мм/м и зависит от последовательности выемки рудного тела.

5 Экспериментально-аналитические исследования по выявлению количественных параметров и закономерностей запредельного деформационного процесса в зоне влияния подземных выработок большого сечения показали, что переход приконтурного массива в предельное состояние первоначально происходит на локальных участках породного обнажения, где в блоковые подвижки вовлекаются породные структуры размерами порядка дециметров. Подвижки же крупномасштабных блоков приконтурного массива, возможные в условиях очистных камерных выработок при пересечении междублоковой границей прилегающего поддерживающего целика, способны менять знак и направление главных нормальных напряжений массива за счет изменения направления реакции противодействия целика, количественные параметры которой можно определить из решения упругой задачи.

6 На основании установленных закономерностей запредельного поведения скального массива разработаны новые технические решения по управлению устойчивостью подземной выработки, защищенные пятью авторскими свидетельствами на изобретения, которые предусматривают учет и регулирование процессов блоковых подвижек на каждом иерархическом уровне модели, а именно:

- на 1-м уровне - выбор местоположения и расчет устойчивых параметров рассматриваемой выработки при минимизации приращений техногенных статических напряжений массива в области влияния зоны обрушения шахты;

- на П-м уровне - обеспечение регулируемых подвижек блоков прилегающего к выработке массива путем создания ориентированных плоскостей его ослабления;

- на Ш-м уровне - ограничение взаимных подвижек структурных блоков приконтурного массива выработки на локальных участках запредельного деформирования с помощью мероприятий по повышению междублокового сцепления.

7 С учетом современных экономических условий и уровня развития горной техники разработана технология применения новых методов управления устойчивостью подземных выработок, предусматривающая:

- на 1-м масштабном уровне - оптимизацию расположения проектируемых выработок в системе диссипативных блоковых структур (консолидированных блоков) и регулирование последовательности выемки рудной залежи;

- на И-м масштабном уровне - создание в прилегающем к выработкам породном массиве плоских трещин заданной ориентации путем камуфлетного взрывания скважинных или шпуровых зарядов;

- на Ш-м масштабном уровне - штангование железобетонными анкерами приконтурного массива выработок на потенциальных участках запредельного деформирования.

8 Разработана методика геомеханического обоснования новых методов управления горным давлением, предусматривающая схему "последовательного вложения" параметров напряженно-деформированного состояния упругой континуальной среды на трех иерархических уровнях модели. Напряженное состояние массива на каждом уровне складывается из суммы полей напряжений: напряжений предшествующего, более крупномасштабного, уровня и дополни-

тельных напряжений, обусловленных техногенными деформациями массива на рассматриваемом уровне, в которые в соответствии с выявленными закономерностями вносятся поправки на процессы блоковых подвижек.

9 Экспериментально подтвержден высокий уровень соответствия между результатами математического моделирования напряженно-деформированного состояния массива, выполняемого по разработанной геомеханической модели для реальных геотехнологических ситуаций, и данными натурных инструментальных исследований. Коэффициент корреляции между теоретическими и инструментальными значениями смещений и деформаций в окрестностях горных выработок и зон обрушения в различных горно-геологических условиях и геотехнологических ситуациях, в том числе и при применении новых методов управления горным давлением, составляет не менее 70 %. Успешное внедрение и многолетнее применение разработанных методов управления горным давлением на подземных рудниках Уральского региона подтвердило практическую ценность теоретических положений и технических решений диссертационной работы.

10 Методологические подходы и результаты работы могут быть использованы в фундаментальных геодинамических исследованиях, направленных на раскрытие природы и механизма формирования фонового (первоначального) напряженно-деформированного состояния горного массива. Одним из перспективных направлений является выделение иерархических уровней крупномасштабных, происходящих в верхней части земной коры, пластических деформаций путем выявления взаимосвязей между: местоположением и размерами активных региональных тектонических структур, энергетикой и параметрами их знакопеременных и трендовых подвижек и напряженным состоянием локальных участков породного массива в районах недропользования.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Определение оптимальных параметров камер и целиков на ш.Северная Го-роблагодатского месторождения с учетом первоначального состояния массива горных пород/ Зубков А.В., Леликов В.П., Балек А.Е., Феклистов Ю.Г. // Геомеханическая интерпретация результатов натурного эксперимента. ИГД СО АН СССР. - Новосибирск, 1983.- С. 37 - 41.

2 Прогноз удароопасности выработок на основе измерения первоначальных напряжений на рудниках НТМК/ Влох Н.П., Зубков А.В., Липин Я.И., Балек А.ЕУ/ Исследования напряжений в горных породах / ИГД СО АН СССР. - Новосибирск, 1985. - С. 30 - 36.

3 Применение численных методов в решении задач механики горных пород на железорудных шахтах Урала и Казахстана/ Влох Н.П., Зубков А.В., Балек А.Е., Жуков Б.П.// Аналитические и численные исследования в механике горных пород / ИГД СО АН СССР. - Новосибирск, 1986. - С. 64 - 67.

4 Разработка наклоннопадающих рудных тел камерами увеличенных размеров/ Влох Н.П., Зубков А.В., Балек А.Е., Феклистов Ю.Г., Лубенец И.Ш/ Горный журнал. - 1986. - № 8. - С. 26 - 28.

5 Балек А.Е. Исследование закономерностей распределения напряжений в элементах камерной системы разработки/ Известия вузов. Горный журн. -Свердловск, 1987. - 34 с. - Деп. в Черметинформ. 26.01.87, № 3779- ч.м. 87.

6 Балек А.Е. Совершенствование конструкции податливых поддерживающих целиков/ Известия вузов. Горный журн. - Свердловск, 1987. - 30 с. - Деп. в Черметинформ. 10.02.87, N° 3808- ч.м. 87.

7 Зубков А.В., Балек А.Е., Лубенец И.П. Новый метод управления горным давлением // Горный журнал. — 1988. - № 1. - С. 54 - 57.

8 Балек А.Е. Управление горным давлением при камерной системе разработки //ФТПРПИ. - 1988. - № 1. - С. 25 - 31.

9 Балек А.Е., Боликов В.Е. Исследование поведения неустойчивых напряженных горных массивов при строительстве шахтных стволов// Горный вестник. -1995.-№4.-С.45 -48.

10 Боликов В.Е., Балек А.Е. Обеспечение геодинамической безопасности выработок и камер околоствольных дворов: Материалы X межотрасл. коорди-нац. совещ. по проблемам геодинамической безопасности/ ВНИМИ, УГТА. -Екатеринбург, 1997. - С. 71 - 75.

11 Хромитовые месторождения Уральского региона/ Боликов В.Е., Балек А.Е., Беркович В.Х. // Известия вузов. Горный журнал. - 1997. - № 3-4.- С. 36 - 48.

12 Боликов В.Е., Балек А.Е. Обеспечение устойчивости шахтных стволов и капитальных выработок в низкопрочных напряженных горных массивах// Материалы международного симпозиума SRM-95/ УрО РАН. - Екатеринбург, 1997.-С. 153-160.

13 Боликов В.Е., Балек А.Е. Основы проектирования комплекса камерных выработок железорудных шахт// Проблемы горного дела / ИГД УрО РАН. -Екатеринбург, 1997. - С. 160 - 169.

14 Геомеханические проблемы при проходке и креплении капитальных горных выработок на шахте Центральная/ Боликов В.Е., Балек А.Е., Тиль В.В., Зайцев ЮГУ/ Горный журнал. - 1998. - № 6. - С. 15 - 17.

15 Сашурин А.Д., Балек А.Е. Натурные исследования периодических изменений напряженно-деформированного состояния скального горного массива// Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковские чтения)/ УрО РАН. -Екатеринбург, 1998. - Т. 1. - С. 178 - 184.

16 Балек А.Е. Натурные исследования деформирования горного массива в условиях запредельного напряженного состояния// Геомеханика в горном деле/ ИГД УрО РАН. - Екатеринбург, 1999. - С. 129 - 140.

17 Балек А.Е. Натурные исследования процесса деформирования горного массива как диссипативной системы// Геомеханика в горном деле - 2000// ИГД УрО РАН. - Екатеринбург, 2000. - С. 9 - 18.

18 Балек А.Е. Натурные исследования по обеспечению устойчивости капитальных выработок в условиях запредельного напряженного состояния// Известия УГГА. Серия: Горное дело. - Вып. 11. - Екатеринбург, 2000. - С. 209 - 214.

19 Balek A. Ye. In-situ investigation on dissipativc structuring in course of rock mass deformation // Rock mechanics- a challenge for society: Proceedings ofthe ISRM regional symposium EUROCK 2001, Espoo, Finland, 3-7 June 2001. - Rotterdam/ Brookfield : Balkema, 2001. - P.807 - 812.

20 Балек А.Е., Коновалова Ю.П. Натурные исследования процессов деформирования блочного скального массива на больших пространственно-временных базах // Геомеханика в горном деле - 2002 / ИГД УрО РАН. - Екатеринбург, 2003. - С. 46 - 51.

21 Балек А.Е., Осламенко В.В., Дягилев В.К. Решение геомеханических проблем при строительстве выработок дробильного и водоотливного комплекса на ш. "Южная" ГБРУ // Геомеханика в горном деле - 2002 / ИГД УрО РАН. - Екатеринбург, 2003. - С. 157 - 167.

22 А.с. 1153065 СССР, МКИ Е 21 с 41/06. Податливый поддерживающий целик/ Зубков А.В., Балек А.Е., Лубенец И.П. СССР. - № 3679797, заявлено 26.12.83, опубл. 30.04.85 // Открытия, изобретения. - 1985. - № 16. - С. 112.

23 А.с. 1293340 СССР, МКИ Е 21 с 41/06. Податливый поддерживающий целик / Зубков А.В., Балек А.Е. СССР.-№3965031, заявлено 14.10.85, опубл. 28.02.87 // Открытия, изобретения. -№ 18. - С. 133.

24 А.с. 1608343 СССР, МКИ Е 21 с 41/06. Способ разработки месторождений полезных ископаемых камерной системой/ Зубков А.В., Балек А.Е. СССР. -№ 4612594, заявлено 05.12.88, опубл. 23.11.90 // Открытия. Изобретения. -1990.-№43.-С. 125.

25 А.с. 1612081 СССР, МКИ Е 21 с 41/06. Способ создания разгрузочной зоны под висячим боком рудного тела / Зубков А.В., Балек А.Е., Ященков Н.Ф. СССР. - № 4647616, заявлено 26.12.88, опубл. 07.12.90 // Открытия, изобрете-ния.-1990.-№45.-С. 112.

26 А.с. 1508645 СССР, Е 21 с 41/06. Податливый поддерживающий целик/ Балек А.Е. СССР. - № 4345690, заявлено 18.12.87, опубл. 27.05.2000 // Изобретения, полезные модели. - 2000. - № 15. - С. 469.

iPOC НАЦИОНАЛЬНАЯ J БИБЛИОТЕКА I СПтрАург «

* 09 300 лкт ?

Подписано в печать 11.08.2004 . Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2л.

Заказ Ш-1792. Тираж 100.

Отпечатано в ИПЦ «Издательство УрГУ». г. Екатеринбург, ул. Тургенева, 4.

# 15 569