Научные основы расчета конструктивных параметров систем подземной разработки руд с учетом структуры массива и порядка ведения горных работ

Актуальность проблемы. Ближайшие перспективы подземной разработки рудных месторождений связаны с вовлечением в эксплуатацию запасов глубоких горизонтов и с освоением залежей бедных руд на действующих предприятиях. Увеличение глубины ведения горных работ повсеместно сопровождается усложнением условий отработки запасов, обуславливающимся ростом величины действующих напряжений. В подобных условиях эффективность подземных горных работ снижается из-за роста самопроизвольных обрушений кровли и целиков камер, увеличения случаев разрушений выработок днища, скалывания больших объемов призабойного массива, а также из-за динамических проявлений горного давления. Эта ситуация еще более обостряется при доработке месторождений, первая очередь которых отрабатывалась открытым способом, т.к. под дном карьеров области концентрации действующих в массиве горизонтальных напряжений совмещены с областями разгрузки вертикальных напряжений. Кроме того, понижение горных работ приводит к увеличению шага самообрушения, что также обуславливает необходимость дополнительных мероприятий по обрушению пород висячего бока.

Таким образом, при разработке технологии добычи полезных ископаемых на глубоких горизонтах резко возрастает значение мероприятий по обеспечению устойчивости конструктивных элементов систем разработки, как элементов технологии добычи, обеспечивающих наиболее благоприятные условия ведения горных работ. Эта задача решается посредством выбора оптимальных для каждого конкретного месторождения способов вскрытия, подготовки и системы разработки. При этом мероприятия по обеспечению устойчивости выработок и по управлению состоянием массива горных пород должны быть предусмотрены в цикле технологических операций очистной выемки. Осуществить же этот выбор можно лишь на основе достоверного геомеханического обоснования планируемого комплекса горных работ.

В основу диссертации положены результаты более 20 плановых научно-исследовательских хоздоговорных и госбюджетных работ, выполнявшихся с участием автора в лаборатории горного давления ИГД УрО РАН (ИГД МЧМ СССР) и на кафедре разработки рудных месторождений УГГГА. В последние годы работа выполнялась при поддержке фонда фундаментальных исследований Минвуза РФ (конкурс грантов 1997 г., грант «Разработка методики расчета напряженно — деформированного состояния массива горных пород с учетом стадийности развития горных работ») и Российского фонда фундаментальных исследований (грант 99−05−64 263 «Влияние иерархии и ориентации трещин на динамические явления в массиве скальных пород при разработке месторождений полезных ископаемых»).

Объект исследований — массив скальных пород в зоне влияния выработанного пространства.

Предмет исследований — методы расчета напряженно — деформированного состояния (НДС) и устойчивости элементов систем подземной разработки.

Цель работы — разработка методов расчета конструктивных параметров систем подземной разработки рудных месторождений и выбора порядка отработки запасов на основе учета блочного строения массива и его напряженного состояния.

Основная идея работы заключается в учете совместного влияния структуры массива, величины и ориентировки главных нормальных напряжений, прочностных и деформационных характеристик массива как комплекса породных блоков и контактов, а также порядке развития горных работ при расчете НДС и устойчивости конструктивных элементов систем разработки.

Задачи исследований:

1. Разработать методы расчета НДС массива горных пород в элементах систем разработки и окрестности капитальных и очистных выработок с учетом блочной структуры и неоднородности деформационных характеристик массива.

2. Разработать методы расчета НДС массива с учетом развития горных работ.

3. Разработать методы изучения структуры массива горных пород и оценки его первоначального напряженного состояния.

4. Разработать рекомендации по применению полученных результатов для расчета устойчивости элементов систем разработки.

Методы исследований. В работе применен комплекс методов исследований, включающий: научный анализ и обобщение опыта предшествующих работпромышленные эксперименты по определению напряженного состояния массивов пород и изучению их структурыматематическое моделирование НДС массивов и сопоставление полученных данных с результатами эксперимента.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методология расчета НДС, обеспечивающая повышение надежности обоснования параметров конструктивных элементов систем разработки на основе учета влияния структуры массива, неоднородности прочностных и деформационных характеристик слагающих его пород и последовательности развития горных работ.

2. Методика изучения структуры массива, основанная на применении равноплощадных транспарантов для статистической обработки результатов массовых замеров трещиноватости и учете связи погрешности измерения азимутов падения трещин с величиной угла их падения.

3. Метод математического моделирования протяженных трещин на основе применения специальных контакт — элементов, имеющих фиктивную толщину.

4. Методика обработки результатов натурных экспериментов по определению напряженного состояния, позволяющая существенно повысить надежность определения граничных условий для расчета НДС элементов систем разработки, основанная на учете совместного влияния структуры массива и неоднородности деформационных свойств слагающих его пород.

5. Метод учета влияния последовательности развития горных работ на НДС массива, обеспечивающий возможность оптимизации порядка отработки запасов с точки зрения обеспечения устойчивости конструктивных элементов систем разработки и требуемых производительности очистной выемки и качества рудного сырья.

Достоверность научных положений подтверждается сопоставимостью результатов расчетов с данными практики добычи рудного сырья, сходимостью результатов исследований с основными положениями механики деформируемого твердого тела и широкой апробацией результатов работы в открытой печати и на научных конференциях.

Научная новизна работы:

1. Разработаны методология и комплекс программ, обеспечивающие учет совместного влияния структуры массива, его физико — механических свойств и последовательности развития горных работ при расчетах НДС элементов систем разработки.

2. На основе применения равноплощадных транспарантов и учета связи погрешности измерения азимутов падения трещин с величиной угла их падения разработаны методика и программное обеспечение для обработки результатов массовых замеров естественной трещиновато-сти, позволяющие уточнить параметры структуры массива.

3. Разработаны контакт — элементы для моделирования протяженных трещин при решении плоских и объемных задач деформируемого твердого тела.

4. Изучено влияние деформационных неоднородностей массива на его напряженное состояние и предложен методический подход к обработке получаемых результатов натурных экспериментов, обеспечивающий повышение надежности определения граничных условий для расчета НДС элементов систем разработки.

5. Изучены закономерности формирования напряженно — деформированного состояния конструктивных элементов систем разработки по мере развития очистных работ.

Научное значение результатов работы заключается в: разработке специальных контакт — элементов, позволяющих достоверно моделировать протяженные трещины при решении как плоских, так и объемных задачразработке методологии комплексного учета блочности массива, неоднородности его физико-механических свойств и порядка отработки запасоввыявлении закономерностей перераспределения напряжений во вмещающем массиве по мере развития очистных работустановлении вида и степени влияния деформационных неоднородностей на первоначальное напряженное состояние скального массиваразработке методики определения параметров систем естественной трещиноватости скального массива.

Личный вклад автора состоит в: выборе задач, путей их решения и формулировке рабочих гипотезформулировке и обосновании научных положенийразработке и совершенствовании методов измерения напряженного состояния массива и проведении натурных экспериментовпостановке математических задач, выборе и разработке вычислительных схем для их решения, проведении расчетов, анализе и обобщении результатов.

Практическое значение диссертации: разработаны методология расчета НДС и комплекс программ, позволяющие оценить устойчивость конструктивных элементов систем разработки с учетом структуры и первоначального напряженного состояния массива, неоднородности физико-механических свойств пород и последовательности развития горных работразработаны методика и программное обеспечение для статистической обработки массовых замеров трещиноватости, позволяющие выделить основные системы трещин и оценить их параметрыразработан методический подход к планированию экспериментальных работ по изучению напряженного состояния и обработке полученных результатов, учитывающий влияние тектонических разломов и деформационных неоднородностей массива горных породвыявлены основные закономерности формирования НДС массива по мере развития горных работ и оценено влияние основных факторов, влияющих на процесс деформирования закладочного массива и устойчивость конструктивных параметров систем разработки.

Реализация результатов работы. Рекомендации по управлению горным давлением, разработанные с личным участием автора, применены на 9 рудниках черных металлов при выборе конструктивных параметров систем разработки. Результаты исследований также используются при проведении занятий по курсам «Геомеханика», «Математическое описание объектов и процессов» и спецкурса «Расчет напряженно-деформированного состояния линейнои нелинейно-упругих сред» .

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзном семинаре «Численные методы в горном деле» (Апатиты, 1986), территориальной научно-технической конференции «Методы оценки напряженного состояния массивов горных пород при разработке полезных ископаемых Урала» (Свердловск, 1987), международных конференциях по механике горных пород (1988 г. — Австрия и 1990 г. — Португалия), Международном симпозиуме «Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромыш-ленных агломераций» (1995 г — г. Москва — г. Пермь), Всероссийских конференциях «Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых» (1994 г., 1996 г. — г. Екатеринбург), Международной конференции «Экологические проблемы горного производства, переработка и размещение отходов» (1995 г. — г. Москва) и постоянной действующем региональном семинаре по механике горных пород при ИГДУрО РАН (1999 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 24 печатных трудах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов и заключения, изложенных на 261 странице, включая 52 рисунка, 1 таблицу и список литературы из 180 наименований и приложения, связанного с внедрением результатов работы.

Выводы.

1. Разработанный метод расчета НДС с учетом последовательности выемки запасов позволяет определить условия возникновения, а также размеры и форму областей разрушения массива (зон неупругой деформации) и выбрать оптимальный порядок отработки запасов.

2. Метод последовательных циклов позволяет оценить напряженное состояние породного и искусственного массивов с учетом размеров и формы выработанного пространства, порядка отработки запасов, первоначального напряженного состояния, прочностных и деформационных свойств закладки, руд и вмещающих пород, а также с учетом недозаклада камер.

3. Регрессионные уравнения, полученные в результате статистической обработки приведенных в открытой печати результатов испытаний рыхлых грунтов, позволяют оценить изменение физико-механических свойств нетвердеющей закладки в процессе ее деформирования.

4. При однослойной выемке запасов или отработке верхнего слоя рудного тела наиболее предпочтительным является ведение очистных работ без оставления рудных целиков.

6. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Разработанные метод и комплекс программ для расчета НДС скальных массивов широко применялись автором при геомеханическом обеспечении подземных горных работ, в основном на рудниках черных металлов Урала и Казахстана. Разработанный комплекс программ также используется при проведении практических занятий по курсу Теомеханика" и спецкурсу «Расчет НДС линейнои нелинейно-упругих сред» для студентов специализации «Подземная разработка рудных месторождений» Уральской горно-геологической академии. Кроме того, в 1997 г комплекс программ был передан лаборатории горного давления ИГД УрО РАН.

6.1. Геомеханическое обеспечение горных работ Высоко-гоского ГОКа.

6.1.1. Оптимизация параметров компенсационных камер на шахте «Магнетитовая» .

Запасы блока № 21 шахты «Магнетитовая» Высокогорского ГОКа отрабатываются системой этажного принудительного блокового обрушения руды на компенсационную камеру. Рудное тело представляет собой штокообразную наклонную залежь. Размеры залежи в плане на гор. -450 м составляют примерно 200 м х 200 м. Прочность образцов руды и пород колеблется в пределах 100 — 170 МПа. До горизонта -370 м (отметка дневной поверхности +220м) сложностей с обеспечением устойчивости элементов систем разработки не возникало. При отрабтке запасов первой панели горизонта -450 м были зарегистрированы большие объемы самообрушения стенок и кровли компенсационной камеры, приведшие к потере вееров скважин и части доставочных выработок.

Проведенный комплекс натурных экспериментов по определению напряженного состояния [148, 149] показал, что напряженное состояние массива по сравнению с гор. -370м изменилось незначительно, величина вертикальных напряжений составила 40 МПа, а горизонтальных — 2025 МПа. При этом было отмечено увеличение интенсивности трещино-ватости рудного массива по сравнению с вышележащим горизонтом.

Величины напряжений на контуре камеры, найденные с учетом объемности составляют 20−25 МПа сжатия по целику между камерой и зоной обрушения и 1−2 МПа растяжения в кровле камеры. Изменение размеров камер в разумных пределах существенных изменений в распределение напряжений не вносит.

Первоочередными рекомендациями было уменьшение размеров компенсационных камер в плане с оформлением у них шатровой кровли. Эта мера, хоть и незначительно, увеличивает прочность обнажения массива, а также сокращает сроки формирования камер. В результате ВГОК уменьшил размеры компенсационных камер с 50 м х 15 м до (20−25)м х (12−15)м. В дальнейшем, на основании результатов решения объемных линейно-упругих задач теории упругости, было предложено оформлять камеры в виде песочных часов в вертикальном сечении (рис. 6.1). Использование наклонных плоскостей приводит к разгрузке центральной части камер от вертикальных напряжений, что позволяет увеличить размеры таких камер по сравнению с камерами прямоугольной формы даже в неустойчивых массивах. Отработка такой камеры в опытной панели показала применимость такого технологического решения.

Компенсационная камера для условий шахты «Магнетитовая» .

Проведенные расчеты также показали, что около выработок доставки формируется зона неупругих деформаций мощностью до 1,5 м. Поэтому шахте было рекомендовано увеличить несущую способность крепей откаточных и скреперных выработок. От крепления набрызг-бетоном шахта перешла к использованию арочной крепи из СВП-27 с плотностью 0,6 — 0,7 арки/м и забутовкой закрепного пространства. Скреперные выработки в зоне неустойчивых пород, примыкающей к висячему боку залежи, стали крепить бетоном.

Описанный комплекс мероприятий позволил вести отработку запасов гор. -470 м без больших осложнений.

6.1.2. Моделирование фильтрационных свойств массива при заполнении шламами Главного карьера.

В проекте реконструкции Черемшанского хвостохранилища было предусмотрено складирование хвостов МОФ в выработанное пространство Главного карьера. Борта и дно карьера сложены известняками, имеющими сложное блоковое строение. В пределах контура карьера за-картировано 5 крупных крутопадающих тектонических зон дробления мощностью 20−30 м. Кроме того, известняки расчленены 3 основными системами трещин, имеющими раскрытие от 3−5 до 200 мм. При инженерно-геологической съемке в известняках было выявлено несколько карстовых каналов сечением до 0,4 м. И, наконец, массив подработан шахтой «Магнетитовая», причем восточный борт захвачен зоной обрушения, образовавшейся при отработке Западно-Ревдинской залежи. Провальные воронки выходят в борт карьера выше гор. +110 м, и в настоящее время полностью перекрыты отвалом из полускальных и глинистых пород.

Одним из обязательных условий при разработке регламента работ по заполнению карьера хвостами МОФ была разработка мероприятий, предотвращающих затопление действующей шахты «Магнетитовая». Для этого предусматривалось создание противофильтрационных экранов из глинистых пород, перекрывающих выходы карстов и крупных тектонических нарушений в дно и борта карьера. Для откачки воды, поступающей в результате рассеянной фильтрации, предлагалось увеличить мощность шахтного водоотлива.

Численное моделирование НДС скального массива проводилось для оценки изменения его фильтрационных характеристик в процессе заполнения Главного карьера шламами. Очевидно, что это заполнение будет сопровождаться изменением напряженного состояния массива пород. При этом трещины разгрузки, являющиеся наиболее низкомодульными элементами массива, воспримут на себя большую часть деформаций, т. е. произойдет изменение раскрытия этих трещин. Коэффициент фильтрации трещиноватого массива, в свою очередь, прямо пропорционален кубу раскрытия трещин. Эти соображения позволяют утверждать, что скорость фильтрационного потока по мере заполнения карьера будет определяться, как минимум, двумя факторами: увеличением гидравлического напора и изменением коэффициента фильтрации массива.

Граничные условия для моделирования принимались по результатам измерения напряженного состояния, полученными ИГД МЧМ СССР [151]. Скальный массив моделировался линейно-упругой средой с модулем деформации 5000 МПа и коэффициентом Пуассона 0,3. Породы, заполняющие зону обрушения, и отходы обогатительной фабрики аппроксимировались идеально сыпучей средой. Изучение изменения раскрытия трещин велось на основе решения линейно-упругих плоских задач [167, 172 — 175]. Результаты расчетов показаны на рис. 6.2.

Изменение раскрытия трещин в борту Главного карьера а).

200 400 600 а — раскрытие трещин в незаполненном карьереб — раскрытие трещин в заполненном карьереположение противофильтрационных экранов;

— 2″ - раскрытие трещин (мм).

Проведенный комплекс расчетов позволил установить положение и размеры зон разгрузки, служащих путями транзита подземных вод. По результатам расчетов было установлено, что заполнение карьера приводит к росту сжимающих напряжений в прибортовом массиве и, соответственно, к снижению коэффициента фильтрации массива. Также было отмечено, что создание горизонтальных межслоевых противофильт-рационных экранов способствует обжиму скального массива. Это объясняется тем, что при осушении хвостов МОФ устраняется эффект гидростатического взвешивания.

Таким образом, моделирование НДС позволило оценить динамику изменения фильтрационных свойств массива в процессе заполнения карьера и обосновать рекомендации по снижению потерь воды из карьера. Эти рекомендации были использованы при составлении проекта по использованию Главного карьера в качестве хвостохранилища.

6.2. Геомеханическое обеспечение подземных горных работ на шахтах Гороблагодатского рудоуправления.

6.2.1. Оценка условий отработки запасов нового горизонта -240 м шахты «Южная» .

В связи с доработкой запасов этажа -80 — 160 м перед шахтой «Южная» встал вопрос об организации очистных работ на нижележащем горизонте -240 м. Целью работы являлось прогнозирование геомеханических характеристик массива и разработка технологических рекомендаций по совершенствованию отработки блока № 1 нового горизонта.

Шахта отрабатывает наклонное мощное рудное тело магнетитовых руд системой этажного обрушения на компенсационные камеры. В целом месторождение характеризуется повышенными значениями горизонтальных напряжений.

Выполненный комплекс исследований включал в себя измерения НДС массива и оценку его деформационных свойств экспериментально-аналитическим методом и методом сейсмометрии, а также расчет НДС массива для различных вариантов отработки, как блока, так и запасов этажа в целом [41, 42]. Результаты натурных экспериментов показали, что величина первого инварианта тензора напряжений с глубиной значительно увеличивается (рост отношения скоростей продольных и поперечных упругих волн составил 50 — 65%). Кроме того, экспериментально было выявлено формирование зон неупругих деформаций мощностью до 4 м вокруг откаточных выработок. Отметим, что при этом очистные работы на горизонте не велись.

Математическое моделирование НДС массива показало, что при понижении очистных работ на 80 м и полной отработке блока в его днище произойдет увеличение горизонтальных напряжений на 10 МПа при практически неизменной величине вертикальных напряжений. Эта ситуация приведет к увеличению концентрации напряжений в сводах выработок днища примерно на 30 МПа и, как следствие, к резкому падению их запаса устойчивости.

На основании проведенных исследований шахте было предложено начинать отработку запасов нового горизонта от висячего бока и использовать экранирующие щели для защиты днища выработанного пространства. Кроме того, был предложен порядок ведения горных работ, позволяющий уменьшить срок службы выработок.

6.2.2. Изучение причин разрушения потолочинных целиков на шахте «Валуевская» .

Целью данной работы являлось установление причин разрушения потолочинного целика на шахте «Валуевская» и разработка рекомендаций по обеспечению его устойчивости [176]. Шахтой отрабатывалось наклонное рудное тело мощностью около 15 м. Камерные запасы извлекались нормально. Однако при этом целики сильно деформировались, скважины в них терялись, а иногда происходило их частичное разрушение (без отбойки руды выпускалось до 20−80% запасов целика при отработке камеры).

Вмещающие породы, представленные в висячем боку порфирита-ми и в лежачем боку сиенитами, имеют близкие прочностные и деформационные характеристики (модуль деформации вмещающих пород около 40 000 МПа, коэффициент Пуассона равен 0,24 — 0,27). Магнетито-вые руды имеют пониженные физико-механические характеристики (модуль деформации около 9000 МПа, коэффициент Пуассона 0,3, прочность на одноосное сжатие 40−50 МПа). Рудное тело контролируется тектоническими разломами, представляющими собой зоны дробленых ми-лонитизированных пород мощностью около 0,4 м (рис. 6.3). Модуль деформации материала этих зон около 1000 МПа, коэффициент Пуассона 0,25, сцепление 0,5 МПа, угол внутреннего трения материала около 20°. Первоначальные вертикальные напряжения определяются весом налегающих пород, горизонтальные напряжения, действующие вкрест простирания рудного тела, превышают вертикальные на 10 МПа.

Положение (а) и деформация (б) потолочинного целика на ш. «Валуевская» .

Рис. 6.3.

Результаты моделирования НДС массива показывают, что отработка камеры вызывает смещение целика по тектоническим разломам в направлении восстания рудного тела на 10 — 16 см. При этом смещение пород висячего бока на 8−14 см больше, чем смещение целика относительно пород лежачего бока. Руда в целике находится практически в одноосном напряженном состоянии, величина сжимающих напряжений колеблется около 40−45 МПа, т. е. близка к пределу прочности рудного массива на одноосное сжатие.

Полученные результаты удовлетворительно объясняют причины разрушения целика и пережима скважин в нем. Для устранения аварийной ситуации шахте рекомендовано: целики разбуривать пучками скважин с обсадкой их на участке пересечения тектонического контактауменьшить сроки службы целиков и совместить разворонку днища с массовым взрывом целиков.

6.3. Геомеханическое обеспечение подземных горных работ на шахтах Донского ГОКа.

6.3.1. Мероприятия по повышению устойчивости выработок на шахте «Молодежная» .

Шахта отрабатывает запасы хромитовых руд Кимперсайской группы месторождений. Массив вмещающих пород и руд разбит интенсивной крутопадающей трещиноватостью, имеющей хаотическое распределение по азимутам падения. Характерной чертой трещин является наличие низкопрочного заполнителя — серпофита и талькобрейнерита, имеющего прочность 0,2 — 0,5 МПа на одноосное сжатие и угол трения, равный 18 -20°. Мощность заполнителя от долей миллиметра до 2 — 3 см и более, в среднем — 1−2 мм. На основании анализа разрушений пород на обнажениях горизонтальных подсечек и вертикальных отрезных щелей, моделирования деформации контуров выработок вблизи выработанного пространства в качестве модели массива была выбрана среда с хрупким разрушением. Значения начальных модуля деформации и сцепления массива оценены как 2000 МПа и 1 МПа, величина остаточного сцепления близка к 0,1 МПа. Значения начального и остаточного углов внутреннего трения совпадают и равны 25°. Натурные наблюдения по скважинам с помощью РВП-27 и решение ряда нелинейно-упругих задач позволило установить факт формирования в окрестности выработанного пространства зоны неупругих деформаций большого (от 30 до 80 м и более) размеров (рис. 6.4). На основании полученных результатов шахте было рекомендовано увеличить расстояние между границей выработанного пространства и штреком лежачего бока, а также увеличить несущую способность крепи [177].

6.3.2. Определение напряженного состояния массива на сопряжении ствола с квершлагом на шахте «Центральная» .

При проходке стволов шахты «Центральная» несколько раз возникали аварийные ситуации, выражавшиеся в обрушении пород из-за за-крепного пространства или в больших (до 10 — 15 см) деформациях уже пройденных и закрепленных участков стволов. Для уточнения параметров крепи и технологической схемы проходки стволов было необходимо уточнить напряженное состояние, формирующееся на сопряжении круглого ствола с горизонтальными выработками.

Распределение главных нормальных напряжений и положение ЗНД в окрестности выработанного пространства на ш." Молодежная" .

Рис. 6.4.

В 1989 г. была реализована возможность решения только линейно-упругих объемных задач. Поэтому моделирование НДС приконтурного массива было сведено к расчету коэффициентов концентрации напряжений. Результаты расчетов были использованы при составлении рабочего проекта на проходку и крепление стволов.

6.4. Определение несущей способности предохранительного целика Гологорского карьера на шахте «Магнезитовая» .

Проект подземной разработки Саткинского месторождения магнезита предусматривает применение подэтажно-камерной системы с последующей закладкой пустот твердеющим материалом. В связи с отставанием строительства закладочного комплекса было принято решение вести отработку опытного блока открытыми камерами без их закладки с оставлением междукамерных целиков (МКЦ). Выемка МКЦ будет производиться после окончания строительства закладочного комплекса и заполнения первичных камер закладочными смесями. Размеры камер и МКЦ были приняты одинаковыми: высота камер 10 м, их ширина -8 м. Выемка магнезита должна осуществляться с применением самоходной техники.

Опытный блок располагается между ныне действующим Карагай-ским и уже отработанным Гологорским карьерами (рис. 6.5). Гологорский карьр заполнен вскрышными породами. Для предотвращения проникновения отвальных пород из Гологорского карьера в очистные камеры опытного блока был предусмотрен предохранительный целик из магнезита толщиной 30 м.

Рис. 6.5.

Параметры целика при составлении проекта не были обоснованы. В ходе уточнения проектных решений возникла необходимость уточнения несущей способности целика. Моделирование напряжений в целике проводилось для двух стадий отработки запасов: первая стадия соответствовала моменту полной отработки всех камер первой очереди, вторая — моменту полной отработки запасов и заполнения выработанного пространства закладочным материалом [179]. Порядок выемки запасов вторичных камер не рассматривался. Результаты моделирования не только позволили оценить запас устойчивости целика, но и позволили обосновать уменьшение его толщины до 20 м, т. е. на 30%.

6.5. Выбор параметров камерной системы разработки с обрушением налегающих пород на шахте «Сидеритовая» Бакальского РУ.

Блоком № 20 шахты «Сидеритовая» отрабатывалось слепое рудное тело, представляющее собой пластообразную залежь с углом падения 25−30° при максимальной мощности 70 м. Добываемые руды представлены сидеритом, лежачий бок залежи сложен доломитами. В висячем боку непосредственно над рудным телом залегает толща кварцево-глинистых сланцев, имеющих мощность до 70 м. Выше залегают кварциты, представляющие собой крепкий устойчивый массив. Необходимость применения камерной системы разработки обуславливается высокими требованиями, предъявляемыми к качеству руды: разубоживание не должно превышать 10%.

Первая очередь 20 блока отрабатывалась О-образной камерой с оставлением в центре столбчатого целика для поддержания кровли, сложенной неустойчивыми сланцами. Тем не менее, при отработке камеры происходило обрушение ее кровли, а засорение руды на конечной стадии отработки превысило 40%.

Для изучения причин, приводящих к обрушению кровли, был проведен комплекс исследований, включающий в себя изучение механических свойств пород в образцах и массиве, измерение первоначального напряженного состояния методами щелевой разгрузки и разгрузки на большой базе, а также моделирование НДС массива при различных вариантах ведения очистных работ [23].

Средняя прочность на одноосное сжатие рудного массива составила 20 МПа, сланцев — 5 МПа. Величина горизонтальных напряжений, действующих по простиранию блока 12 МПа, вкрест простирания — 18 МПа. Вертикальные напряжения соответствовали весу налегающей толщи и на глубине 220 м составили 6 МПа. На основе решения объемных задач теории упругости шахте было рекомендовано отрабатывать 2-ю очередь блока двумя камерами, разделенными целиком. Ширина камер проектировалась равной 45 м, длина -110 м. Ширина целика -15 м, в центральном поперечном сечении — 30 м (рис. 6.6). В камере лежачего бока, высота которой более 55 м, предлагалось шатровое оформление кровли с оставлением рудного целика под неустойчивыми сланцами.

Отработка запасов 2-й очереди блока (1,5 млн. тонн) продолжалась более 3 лет. Самообрушений при этом не наблюдалось. Экономический эффект в ценах 1988 г без учета обогатительного передела по общешахтным расходам составил более 200 тыс. руб. в год.

Схема отработки блока № 20.

01=27 МПа.

1-я очередь 2-я очередь б).

1 очередь (проект БРУ).

3-я очередь 4-я очередь.

2 очередь (проект ИГД).

Рис. 6.6 а — план отработки блока N2 20- б — план отработки и форма камер при отработке 2-й очереди блока сидерит кварцевого инистые сланцы хххххххххххх: хх хх хх хх хх хх:

XX XX XX XX XX XX: ХХХ. ХХІІХ.ХХХХ.Х: доломит проект БРУ — — — проект ИГД очередность отработки.

6.6. Оценка запаса устойчивости элементов камерно-столбовой системы разработки на шахте «Центральная» Джездинского РУ.

Шахта отрабатывает пологопадающее рудное тело марганцевых руд со средней мощностью около 3 м. Кровля сложена песчаниками и конгломератами, подстилающие породы представлены гранитами. На некоторых участках на расстоянии 1,0 — 1,5 м от кровли пласта залегают глинистые отложения мощностью до 1 м, отделенные от марганцевых руд прослоями песчаника. Глубина залегания месторождения 100 — 200 м.

Для определения параметров крепи требовалось оценить запас устойчивости целиков и кровли камер в зависимости от расстояния до глинистых отложений и их мощности. Поверхность скольжения, которая может образоваться при вдавливании целиков в кровлю пласта, определяется решениями, полученными на основе метода предельного равновесия [61]. Коэффициент запаса устойчивости целиков по условиям их оснований определялся по этой поверхности методом горизонтальных сил с использованием расчетных величин напряжений. Для уточнения полученных результатов также был решен ряд нелинейно-упругих задач. -Результаты расчетов вошли составной частью в «Инструкцию по выбору и расчету параметров крепи.» [180].

6.7. Выбор параметров этажно-камерной системы разработки с обрушением налегающих пород на шахте «Западный Каражал» Атасуйского ГОКа.

Шахтой «Западный Каражал» отрабатывается железорудное месторождение, сложенное гематитовыми рудами. С увеличением глубины ведения горных работ участились случаи самопроизвольных обрушений кровли и стенок камер. В 1992 г. лаборатория горного дела ИГД УрО РАН разработала по просьбе Атасуйского ГОКа рекомендации по отработке блока № 5 на гор. +108 м. Первоначальный вариант проекта был составлен проектно-конструкторским отделом ГОКа совместно с ИГД Казахстана. По проекту запасы блока отрабатывались 11-ю различно ориентированными камерами, параметры которых были определены по аналогии с камерами вышележащего горизонта (рис. 6.7).

Комплекс работ по геомеханическому обоснованию отработки запасов, выполненный ИГД УрО РАН, включал измерения напряженного состояния массива методами щелевой разгрузки и электрометрии (метод ПЭЗ), моделирование НДС элементов систем разработки, предложенных в первоначальном проекте и разработку рекомендаций по порядку выемки запасов и параметрам камер и целиков. В результате шахте рекомендовано отказаться от междукамерного целика (МКЦ), разделяющего камеры 1 и 2 блока 5А, блок 5Б отрабатывать без оставления западного технологического целика, а также предусмотреть работы по принудительному обрушению кровли камеры 2 этого блока (рис. 6.7). Кроме того, было рекомендовано изменить положение МКЦ 1−2 в блоке 5 В.

К настоящему времени блок N25 отработан практически полностью без существенных отклонений от проектных параметров.

План расположения камер блока № 5 на гор. +108 м.

Разрез по линии XV — XV.

1Ш.

Разрез по линии VII — VII.

К:

Разрез по линии XI — XI.

Разрез по линии XIII — XIII.

Рис. 6.7.

— РУДЭ.

— известняки кремнистые породы проект ГОКа —рекомендации ИГД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе на. базе выполненных автором исследований решена научная проблема, имеющая важное народохозяйствен-ное значение, заключающаяся в повышении надежности конструктивных элементов систем разработки и снижении потерь и разубоживания руды на основе геомеханического обоснования порядка отработки запасов и параметров систем подземной разработки рудных месторождений.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработаны методология и комплекс программ для расчета напряженно-деформированного состояния массива с учетом его структуры, первоначального напряженного состояния, неоднородности физико-механических свойств пород и последовательности развития горных работ. Комплекс программ позволяет решать задачи в плоской и в объемной постановке. При этом практически снято ограничение по предельному количеству узлов.

2. Разработаны методика и программное обеспечение для статистической обработки массовых замеров трещиноватости, позволяющие выделить основные системы трещин и оценить их параметры.

3. Разработаны новые контакт — элементы для моделирования протяженных трещин, имеющие фиктивную толщину и невырожденную матрицу жесткости.

4. Разработан методический подход к планированию экспериментальных работ по изучению напряженного состояния и обработке полученных результатов, учитывающий влияние тектонических разломов и деформационных неоднородностей массива горных пород.

5. Доказано, что необходим дифференцированный подход к заданию граничных условий при проведении расчетов НДС массива в окре.

234 стности выработанного пространства. Если область влияния выработок помещается внутри однородного массива (слоя), то в качестве граничных условий можно использовать результаты натурных измерений напряжений в этом комплексе пород. В противном случае необходимы предварительные расчеты для уточнения граничных условий.

6. Выявлены основные закономерности формирования НДС массива по мере развития горных работ. Оценено влияние основных факторов, влияющих на процесс деформирования закладочного массива и устойчивость конструктивных параметров систем разработки.

7. Разработано математическое описание параметров модели упрочняющейся среды для моделирования контакта закладки с вмещающими породами, а также блоков закладки из нетвердеющих смесей.

8. Результаты исследований применены проектными отделами рудников и институтом Уралгипроруда при решении практических задач на 9 шахтах, добывающих руды черных металлов. Экономический эффект по шахте «Сидеритовая» составил за 3 года 600 000 руб. в ценах 1988 г.

Основные положения диссертации опубликованы 24 работах: