Создание методов обеспечения устойчивости горных выработок рудников в условиях формирующегося поля напряжений

Одной из характерных особенностей современного подземного и в особенности шахтного строительства является значительное усложнение горногеологических условий. Поэтому успешное решение задач, связанных с обеспечением эксплуатационной надежности горных выработок и подземных сооружений, во многом зависит от совершенства используемых методов прогнозирования механических процессов в окружающих породных массивах, а также методов расчета различных подземных сооружений.

Затраты времени и средств на сооружение всех капитальных выработок составляют 60% общих затрат на строительство горного предприятия. Поэтому эффективная работа горнорудного предприятия во многом будет зависеть от состояния устойчивости стволов, камер и горизонтальных выработок.

Проведение выработок вызывает изменение естественного поля напряжений массива горных пород. В общем случае характер образующегося поля напряжений вокруг выработок зависит от совокупного действия многих взаимосвязанных факторов, которые можно разделить на четыре группы. Первую группу факторов составляют пространственно-геометрические параметры рассматриваемых выработок. К ним прежде всего относятся форма и размеры поперечного сечения, их ориентировка, взаимное влияние и др.

Ко второй группе относятся прочностные и деформационные характеристики пород в непосредственной близости от контура выработки, поскольку именно эта часть массива воспринимает дополнительные нагрузки при образовании выработок.

Третья группа факторов охватывает особенности естественного поля напряжений, т. е. величины, направления и соотношения между горизонтальными и вертикальными напряжениями.

Наконец, четвертую группу факторов составляют воздействия на массив горных пород вокруг выработок, вызванные очистными работами.

Учесть в равной мере все выделенные группы факторов при определении напряженного состояния пород вокруг выработок не представляется возможным. Наиболее полно могут быть учтены факторы первых трех групп, поскольку разработаны на данный период времени аналитические (на базе методов механики сплошной среды) и экспериментальные методы определения компонентов напряжений и деформаций вокруг выработок.

Четвертую группу факторов — влияние на капитальные выработки очистной выемки, учитывают лишь качественно. Аналитические методы оценки влияния факторов этой группы в настоящее время отсутствуют. Отсутствуют также какие-либо нормативные документы, учитывающие влияние выработанных пространств на расчет устойчивости капитальных выработок на стадии проектирования подземных рудников.

При разработке железорудных месторождений подземным способом системами с обрушением в крепких скальных породах влияние четвертой группы факторов на капитальные выработки является особенно значительным, так как при разработке их образуются большие по размерам зоны обрушения. На железорудных шахтах Урала и Сибири доля систем с массовой отбойкой руды (этажное принудительное обрушение, этажно-камерная система) составляет 85−90%. В Криворожском бассейне основное развитие получили варианты системы подэтажного обрушения с отбойкой руды глубокими скважинами (60−65%) и этажно-принудительное обрушение (20−25%). На рудниках горнохимического сырья (Кольский полуостров) и цветной металлургии, разрабатывающих мощные залежи крепких руд, также широко применяются системы разработки с массовой отбойкой руды глубокими скважинами.

При разработке рудных месторождений системами с обрушением с прочными скальными вмещающими породами возникают серьезные проблемы по обеспечению устойчивости комплекса капитальных выработок в процессе эксплуатации и даже на стадии строительства при вскрытии глубоких горизонтов. Из 34 обследованных стволов на шахтах Урала Институтом горного дела УрО РАН в 18 произошли деформации бетонной крепи в процессе ведения очистных работ и достижения глубин 600−800 м.

Так, например, серьезные проблемы возникли со стволом «Центральный вентиляционный» и в целом с промплощадкой через пять лет после начала разработки на Урале железорудной шахты Северопесчанской из-за просчетов при проектировании в выборе места расположения стволов. Ствол «Центральный вентиляционный» был деформирован с глубины 30 до 70 м из-за пересечения его на глубине 50 м тектоническим нарушением и в процессе ведения очистных работ возникли подвижки по нему. Для сохранения комплекса центральных стволов необходимо было законсервировать 24 млн. т руды или почти 12% запасов месторождения.

При строительстве шахты «Центральная» Донского горно-обогатительного комбината в Казахстане во всех четырех стволах с глубины 500 м монолитная бетонная крепь находилась в предельном состоянии. В результате чего клетевой ствол из-за разрушения крепи был внезапно засыпан породой на глубину 200 м, а в скипо-клетевом и вспомогательном стволах произошли деформации крепи после их проходки на проектную глубину.

Все перечисленные стволы были запроектированы в соответствии с действующим СНиП 11 -94−80, Часть И, Глава 94 «Подземные горные выработки». Основной причиной разрушения крепи стволов явилось воздействие неучтенного при проектировании анизотропного тектонического поля напряжений в горном массиве, что привело к значительным непредусмотренным затратам на перекрепку стволов. Естественно, что с началом ведения очистных работ на шахте «Центральная» и образованием выработанного пространства, состояние устойчивости крепи стволов еще более усугубится из-за увеличения напряжений вызванного образованием провала.

На Соколовском подземном руднике ССГПО после шести лет начала разработки месторождения произошла деформация бетонной крепи с образованием продольных трещин длиной до 60 м.

В эксплуатируемом клетевом стволе «Западный» Таштагольского рудника между гор. -140 м (Я = 610 м) и гор. -70 м (Я = 540 м) произошло разрушение железобетонной крепи из-за высокого уровня напряжений, превышающего предел прочности бетона [1].

Разрушение эксплуатируемых стволов для любого рудника связано с большими непредвиденными затратами, связанными с перекрепкой ствола и кроме того убытками, обусловленными с приостановкой работы ствола на период восстановительных работ. Поэтому эксплуатационная надежность стволов должна быть особенно высокой и этого можно достичь только в результате расчета их крепи на максимальные нагрузки, которые возникают в процессе ведения очистных работ и образования выработанных пространств.

На достигнутых глубинах разработки месторождений серьезные разрушения крепи стволов происходили при их строительстве. Кроме отмеченных ранее случаев разрушения стволов на шахте Центральная ДонГОКа аналогичные явления имели место и на других месторождениях. Так, на Ташта-гольском руднике в тектонически активном районе произошли деформации и разрушение крепи стволов при проходке на шахтах «Ново-Капитальная», уг-лубке ствола шахты «Западная» и проходке ствола «Сибиряк» [2]. Поэтому чтобы обеспечить устойчивость таких стволов в эксплуатационный период работы шахт, необходимы специальные мероприятия по управлению напряженно-деформированным состоянием массива и крепи в период проходки, направленные на снижение уровня напряжений.

Особые осложнения возникают при сооружении камер большого сечения в скальном блочном массиве при высоком уровне тектонических напряжений на больших глубинах. В первую очередь это относится к камерам дробильного комплекса, сложность сооружения которых заключается в их близком расположении к стволу. Деформация крепи и ее разрушение при сооружении камер происходят на достигнутых глубинах строительства 600−800 м на стадии строительства, поэтому, естественно, с началом разработки месторождения и образованием выработанного пространства они попадают в зону влияния от провалов и возникнут еще большие проблемы с устойчивостью крепи.

Деформация крепи в кровле дробильной камеры и разрушение стенок дозаторной камеры с образованием трещин в скипо-клетевом стволе произошли на глубине 630 м при строительстве шахты «Центральная» Донского горно-обогатительного комбината. Напряжения в крепи всех камер превысили предел ее прочности.

На Гороблагодатском руднике на шахте «Южная» разрушение крепи в своде и в торце дробильной камеры произошло при строительстве на гор. -320 м (Я = 600 м).

На Учалинском ГОКе при строительстве дозатор ной камеры на гор, -640 м Узельгинского рудника произошло разрушение бетонной крепи стен и кровли с разрушением бетона и выпиранием арматуры внутрь камеры и ее вынуждены были перенести на новое место.

Серьезные проблемы возникают с поддержанием горизонтальных капитальных выработок, разрушающихся в процессе эксплуатации, от попадания в зону влияния выработанного пространства. Нарушение рабочего состояния таких выработок требует серьезных затрат на их восстановление. Приводит к значительному снижению добычи рудника и, нередко, требует проходки их в другом месте. Но перенос их на новое место не всегда является окончательным, так как для расчета их крепи и обеспечения эксплуатационной надежности необходимо знать максимальную нагрузку, которая возникает при отработке всех запасов на горизонте.

Таким образом, приведенные негативные примеры, связанные с проблемой обеспечения устойчивости капитальных выработок в процессе строительства и эксплуатации подтверждают, что от успешного решения данной проблемы зависит эффективная и безопасная работа горнорудных предприятии. От решения этой проблемы в значительной мере зависит выполнение основной цели горной науки «. создать наиболее совершенные технические средства и технологические способы и приемы для достижения наиболее безопасной и экономической разработки полезных ископаемых при всемерном облегчении труда шахтеров» [3].

Проблема обеспечения устойчивости капитальных выработок будет приобретать все большее значение в современной горной промышленности в связи с освоением глубокозалегающих месторождений со сложными горнотехническим условиями, строительством новых горизонтов на большой глубине и относится к разряду важнейших.

Обеспечение устойчивости капитальных выработок при разработке рудных месторождений, обладая определенной общностью с аналогичными явлениями на месторождениях других видов минерального сырья, обладает рядом особенностей, обусловленных, главным образом, параметрами рудных тел, свойствами и состоянием вмещающих пород, технологией разработки. Для большинства железорудных, марганцевых и других рудных месторождений, разрабатываемых подземным способом, характерны большие размеры рудных тел, сопоставимые с глубиной их залегания, скальные вмещающие породы с тектоническими полями напряжений, нередко анизотропными, и системы разработки с обрушением вмещающих пород. В этих условиях подземная разработка, как правило, сопровождается образованием зоны обрушения, оказывающей влияние на характер распределения напряжений вокруг капитальных выработок в тектоническом поле напряжений, что предопределяет специфику методик исследования, рабочих гипотез и теоретических положений.

Подземные сооружения, в том числе с возведением крепи, известны с древнейших времен, однако зарождение научных основ расчета крепи относится ко второй половине прошлого века. Как показывает обзор, приведенные в работе от второй половины прошлого века до сегодняшнего дня расчетные методы в механике подземных сооружений достигли высокого уровня ". Достижения в современной механике подземных сооружений представляют достаточные возможности для возведения экономических подземных конструкций при одновременном обеспечении их прочности, устойчивости и надежности" [4].

Наиболее молодое научное направление, связанное с обеспечением устойчивости подземных сооружений — геодинамическое районирование, позволяющее определить наиболее благоприятные места для расположения капитальных выработок в тектонически напряженном горном массиве.

Однако, в настоящее время в современных теориях расчета крепи (обделок) и определения разгруженных зон при геодинамическом районировании, наметилась твердая позиция учета первоначального напряженного состояния массива горных пород. Отсутствует количественная оценка изменения первоначального напряженного состояния под воздействием разработки месторождения и образованием выработанного пространства и зоны обрушения.

Разработанные и применяемые технологические мероприятия, направленные на управление напряженно-деформированным состоянием и снижение напряжений в конструкциях крепи и окружающем массиве на аналогичных горнорудных регионах также исходят из первоначального напряженного состояния.

Накопленный экспериментальный материал по установлению закономерностей взаимодействия крепи и массива горных пород и современный уровень знаний о напряженном состоянии массива горных пород дают возможность сделать очередной новый шаг в развитии теории расчета крепи, геодинамического районирования по выбору благоприятных мест расположения выработок и разработки технических мероприятий по управлению напряженно-деформированным состоянием крепи и окружающего массива с учетом вторичного поля напряжений, вызванного разработкой месторождения.

Все это дало основание разработать методику по обеспечению устойчивости капитальных выработок при формировании вторичного поля напряжений, позволяющую на стадии проектирования, строительства прогнозировать устойчивость подземных сооружений в процессе их эксплуатации и обеспечить эффективность и безопасность при подземной разработке.

В диссертационной работе рассматриваются проблемы, связанные с устойчивостью капитальных горных выработок, проходимых в скальном, блочном, тектонически напряженном горном массиве при подземной разработке мощных рудных месторождений системами с обрушением вмещающих пород, Указанные условия присуши широкому кругу разрабатываемых рудных месторождений черной и цветной металлургии. Так, например, в регионе Урала и Казахстана, где выполнялись экспериментальные исследования диссертационной работы, из четырнадцати разрабатываемых месторождений руд черных металлов к рассматриваемому виду относится двенадцать. Лишь Соколовский подземный рудник ССГПО и шахта «Центральная» Джездинского РУ ведут разработку с поддержанием налегающей толщи, соответственно, твердеющей закладкой и целиками.

Цель работы — установить закономерности деформирования крепи горных выработок в скальных массивах горных пород и разработать методику прогнозирования и обеспечения устойчивости выработок на всех стадиях подземной разработки рудных месторождений системами с обрушением.

Идея работы — заключается в осуществлении выбора оптимального расположения и необходимой конструкции крепи горных выработок и сооружений с использованием в качестве граничных условий параметров вторичного поля напряжений, формирующегося в процессе разработки месторождения.

В работе защищаются следующие основные научные положения, разработанные лично автором:

1. Граничные условия, определяющие состояние горных выработок, выбор типа и конструктивных параметров необходимой крепи изменяются в процессе разработки месторождения за счет формирования вторичного поля напряжений вокруг очистных работ и образующейся зоны обрушения.

2. Расположение горных выработок и прогнозная оценка их устойчивости осуществляется с учетом стабильности тектонических структурных блоков, оцениваемых как на стадии строительства выработок, так и на всех промежуточных этапах разработки месторождения.

3. Расчет конструктивных параметров крепи и выбор мест заложения горных выработок должны производиться исходя из экстремальных граничных условий, возникающих в период их эксплуатации.

4. Прогнозная оценка устойчивости незакрепленной выработки производится с учетом формирования вторичного поля напряжений и структурных свойств массива горных пород, в котором пройдена выработка.

5. Управление напряженно-деформированным состоянием крепи горных выработок включающего определение рациональных размеров и формы поперечного сечения выработок и узлов их сопряжений, выбор оптимального расположения горных выработок, создание податливого закрепленного пространства на основе расширяющихся тампонажных составах позволяют в 2 раза снизить напряжение в крепи, тем самым повысить технологическую надежность выработок в процессе эксплуатации.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций достигается:

1. Применением теоретических положений теории упругости, механики горных пород, инженерной геологии, математического моделирования характера распределения напряжений и деформаций вокруг выработок.

2. Экспериментальными исследованиями в натурных условиях за процессом деформирования крепи и массива горных пород вокруг выработок на рудных месторождениях Урала и Казахстана и статическим анализом результатов за 30-летний период времени на 14 месторождениях, где постоянно работает более 100 измерительных станций в горных выработках.

3. Проведением специальных промышленных экспериментов при разработке рудных месторождений со статистическим сопоставлением результатов натурных измерений для оценки состояния устойчивости капитальных выработок.

4. Результатами внедрения рекомендаций по решению практических вопросов на стадии проектирования и промышленного использования на 12 железорудных месторождениях Урала и Казахстана.

5. Применением согласованных с Госгортехнадзором России и КазССР и утвержденных Минметом СССР ряда нормативных документов по проведению и креплению горизонтальных выработок, стволов и камер на железорудных и хромитовых месторождениях Урала и Казахстана.

Методы исследований.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы получены с использованием комплексного метода исследования, включающего:

— теоретическое обобщение развития теорий расчета крепи подземных сооружений и состояния вопроса по обеспечению устойчивости капитальных выработок на горнорудных предприятиях;

— лабораторные, опытно-промышленные и теоретические исследования по напряженно-деформированному состоянию крепи и массива горных пород вокруг капитальных выработок при подземной разработке рудных месторождений;

— компьютерные методы расчета и моделирования;

— технико-экономический анализ результатов промышленных экспериментов и внедрения рекомендаций по обеспечению устойчивости капитальных выработок.

Значение работы. Основным научным значением выполненных исследований является установление количественной зависимости влияния очистных работ на напряженное состояние капитальных выработок, выбор места расположения и расчет параметров крепи данных выработок при формировании вторичного поля напряжений.

Методические разработки, выполненные на основе фундаментальных достижений механики деформируемого твердого тела и установленных зависимостей позволяют впервые произвести оценку стабильности структурных нарушений шахтного поля на эксплуатационный период разработки и распределение напряжений вокруг выработанных пространств с целью определения благоприятного места расположения стволов, камер и горизонтальных выработок и рассчитать параметры крепи на максимальные нагрузки. Разработана методика оценки состояния устойчивости незакрепленных камерных и горизонтальных выработок в блочном скальном массиве с учетом структурных свойств и напряженного состояния массива и произведена количественная оценка этих факторов.

Практическая ценность работы состоит в использовании разработанной методики по обеспечению устойчивости капитальных выработок для решения следующих задач:

— определения на стадии проектирования горных предприятий оптимального расположения стволов, камер и горизонтальных выработок с целью обеспечения их устойчивости;

— расчета параметров крепи капитальных выработок при формировании вторичного поля напряжений и повышения эксплуатационной надежности выработки на весь период отработки месторождения или горизонта;

— управления напряженно-деформированным состоянием крепи и окружающего массива горных выработок в процессе их проведения и эксплуатации с целью снижения нагрузки на крепь;

— использования отходов производства для крепления горных выработок.

Практическое использование методических разработок наряду с социальным эффектом, обусловленным созданием безопасных условий труда при проходке и эксплуатации горных выработок, во многих случаях обеспечивает получение экономического эффекта за счет повышения эксплуатационной надежности капитальных выработок и снижения расходов на перекрепку, а также применения более облегченных видов крепи и использования отходов производства на крепление.

Практическая реализация. Научные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы использованы для обоснования и разработки нормативных документов на железорудных шахтах Урала и Казахстана, таких как:

Инструкция по креплению горизонтальных горных выработок и их сопряжений на железорудных шахтах Урала и Казахстана" (Утв. ВПО Союзру-да и Союзшахтопроходка Минчермета СССР 25.03.1986 г.);

Инструкция по расчету крепи вертикальных стволов рудных шахт в тектонически активных районах (применительно к условиям Кимперсайских хромитовых руд ДонГОКа" (Разработана совместно с Тульским политехническим институтом и утв. Минчерметом СССР, 1986 г.) и другие нормативные документы, перечисленные в главе 7 диссертационной работы.

Все нормативные документы являются действующими и обязательными на железорудных шахтах для указанного региона при проектировании и сооружении капитальных выработок.

Наряду с общим влиянием на уровень решения проблемы обеспечения устойчивости капитальных выработок на весь эксплуатационный период отработки месторождения или горизонта, результаты работы использованы при решении частных практических задач с непосредственным участием автора на предприятиях Донского горно-обогатительного комбината, Гороблагодат-ского рудоуправления, комбинатов Высокогорского и Магнезит, на Малы-шевском руднике и Свердловском метрополитене.

Т О Ч> V".

В создавшейся аварийной ситуации при строительстве стволов, камер и горизонтальных выработок на шахте «Центральная» Донского горнообогатительного комбината, разработанные расчетные методы и технические мероприятия, позволили закончить строительство и обеспечить эксплуатационную надежность всех перечисленных объектов. Это позволило избежать строительства новых стволов для обеспечения проектной мощности шахты.

В условиях Гороблагодатского месторождения, проведенные исследования для шахты «Южная» обеспечили возможность проходки и крепление ствола «Южная-2» по зоне крупного разлома, восстановить деформированную крепь дробильной камеры гор. -320 м и разработать технологию тампонажа закрепного пространства расширяющимися составами из отходов производства. Это позволило ускорить сроки строительства гор. -320 м и вскрыть новые -400 и -480 м.

Разработанные рекомендации по восстановлению ствола «К» Малышев-ского рудника позволили создать крепь с эксплуатационным запасом прочности и ускорить введение в отработку гор. -120 м.

Разработанная методика применения и расчета параметров опережающей анкерной крепи для неустойчивых пород блочного строения и внедрения ее при сооружении тоннелей и станций Свердловского метрополитена позволило обеспечить безопасные условия труда и установленные темпы проходки.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 5 научно-технической конференции института ВИОГЕМ (г. Белгород, 1971 г.), на Всесоюзном семинаре «Измерение напряжений в массиве горных пород» (г. Новосибирск, 1972, 1973 гг.), на Всесоюзной конференции по механике горных пород (г. Тбилиси, 1985 г.), на Всесоюзных семинарах «Пути повышения эффективности способов и средств крепления и поддержания горных выработок на современном этапе развития горных работ» (г. Свердловск, 1987 г.), «Разработка и внедрение средств комплексной механизации и автоматизации проведения горных выработок» (г. Н. Тагил, 1985 г., г. Рудный, 1987 г., г. Тырнауз, 1989 г.), Международном симпозиуме.

Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных горно-геологических условиях" (г. Белгород, 1991 г.), 7: й Международный конгресс по механике горных пород (Германия, Аахен, 1993 г.), Международном симпозиуме по применению компьютерных методов в механике горных пород (Китай, Хиан, 1993 г.), Всесоюзной конференции «Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых» (г. Екатеринбург, 1994 г.), Международном симпозиуме РМ-95 «Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций» (г. Москва — г. Пермь, 1995 г.), Международной конференции — геомеханика в горном деле — 96 «Управление напряженно-деформированным состоянием массива скальных пород при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений» (г. Екатеринбург, 1996 г.), X Международном координационном совещании по гор!1ым ударам (г. Екатеринбург, 1997 г.), на технических совещаниях ВПО «Союзруда» Минчермета СССР (г. Москва, 1986, 1988, 1989 гг.), ВПО «Союзшахтопроходка» (г. Москва, 1985;1990 гг.), на технических совещаниях институтов «Уралгипроруда» (г. Свердловск, 1979;1990 гг.), «Уралгипротранс» (г. Екатеринбург, 1980;1984 гг.), на технических совещаниях ПГО «Уралруда» (г. Екатеринбург, 1978;1988 гг.), ПО «Свердловскмет-рострой» (г. Екатеринбург, 1980;1984 гг.), ВПО «Восток-шахтопроходка» (г. Н. Тагил, 1973;1990 гг.), треста «Казшахторудстрой» (г. Рудный, 1980;1986 гг.), на техсоветах Богословского (г. Краснотурьинск), Гороблагодатского (г. Кушва), Высокогорского (г. Н. Тагил), Бакальского (г. Бакал), Донского горно-обогатительного комбината (г. Хромтау) и шахтостроительных управлений №№ 1, 2, 3, 4, 5 и 6 трестов «Востокшахтопро-ходка» и «Казшахторудстрой».

Публикация. По теме диссертации опубликовано 32 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, изложенных на ЗЗЗстраницах машинописного текстасодержит 86 рисунков, 58 таблиц, списка литературы из 156 наименований и приложения.

7.6. Выводы.

1. Многолетнее применение разработанных геомеханических моделей, методов расчета параметров крепи и способов управления напряженно-деформированным состоянием массива горных пород и крепи при проходке горизонтальных выработок, камер и вертикальных стволов в практике решения проблемы обеспечения устойчивости капитальных выработок на рудниках Урала и Казахстана подтвердило практическую ценность теоретических положений диссертационной работы.

1.1. При проектировании шахты «Центральная-2 очередь», строительстве шахты «Центральная» и эксплуатации шахты «Молодежная» Донского горнообогатительного комбината произведена проверка основных теоретических положений диссертационной работы: произведен выбор места расположения и расчет параметров крепи стволов шахты «Центральная-2 очередь» с учетом оценки стабилизации тектонических блоковпо рекомендациям ИГД УрО РАН разработан проект институтом Урал-гипроруда на вскрытие и разработку шахты «Центральная-2 очередь» (см. разд. 4) — обоснована возможность повышения несущей способности крепи стволов, пройденных и закрепленных, крепь которых находится в предельном состоянии по несущей способностиопределены параметры усиления существующей бетонной крепи скипо-клетевого ствола шахты «Центральная» в отметках -144 — -290 мвыполнен расчет параметров крепи, по которым построена камера дозаторов эллипсовидной формы в скипо-клетевом стволе шахты «Центральная" — произведена оценка устойчивости всех капитальных камерных и горизонтальных выработок с учетом структуры и напряженного состояния массива горных пород на шахте «Центральная» и «Молодежная», на основании чего разработана «Инструкция по выбору места и расчету параметров крепи горизонтальных выработок для шахт ДонГОКа.

1.2. Проведенный комплекс технических мероприятий на шахтах Донского ГОКа, основанных на теоретических положениях диссертационной работы для капитальных выработок, позволил вывести их из критического состояния в состояние эксплуатационной надежности.

1.3. Доказана возможность и целесообразность расчета параметров крепи стволов с учетом вторичного поля напряжений, вызванного зоной обрушения от очистных работ, на примере шахт Гороблагодатского и Малышевского рудоуправлений.

С помощью данной методики обоснованы параметры крепи ствола «Южная-2» в зоне крупного тектонического разлома. Ствол пройден и закреплен чугунными тюбингами и контрольные замеры деформаций крепи подтвердили достоверность теоретических расчетов. Ствол «Южная-2» пройден до проектной отметки и напряжения в крепи ниже расчетных.

Произведен расчет крепи для разрушенной части ствола «К» Малышев-ского рудника. Крепление ствола чугунными тюбингами с управлением напряженно-деформированным состоянием приконтурного массива пород в виде податливого закрепного пространства позволило обеспечить равномерное распределение деформаций по периметру ствола. Ствол «К» восстановлен, находится в эксплуатации и напряжения в крепи находятся в пределах расчетной величины.

1.4. Разработана технология тампонажа закрепного пространства расширяющимися составами и доказана эффективность их применения в выработках, пройденных в тектонически напряженных скальных породах.

Технология и составы испытаны при проходке камеры насосной гор. -80 м шахты «Северная» и обгонной выработки гор. -320 м шахты «Южная», которые в настоящее время эксплуатируются и находятся в устойчивом состоянии.

1.5. Практически подтверждена возможность и эффективность применения камер эллипсовидной формы в плане и поперечном сечении на железорудных шахтах.

Восстановлена после разрушения крепи камера дозаторной скипо-клетевого ствола в отметках -220 — -232 м шахты «Центральная».

Пройдены и закреплены камеры эллипсовидной формы в околоствольном дворе стационарного типа на гор. +340 м шахты «Магнезитовая» комбината ОАО «Магнезит». В настоящее время камера находится в эксплуатации (см. разд. 5.4).

1.6. Доказана эффективность применения гибкой опережающей анкерной крепи при проходке горизонтальных выработок, камер и тоннелей по скальному, блочному неустойчивому массиву с отсутствием связей по плоскостям ослабления.

Произведен расчет параметров гибкой опережающей анкерной крепи с учетом фактического напряженного состояния для перегонных и стационарных тоннелей Свердловского метрополитена. Для удобства пользования разработаны номограммы, которые позволяют определить параметры крепи и расход материалов.

Применение данной крепи позволило избежать внезапных обрушений пород вслед за проходкой тоннеля.

Заключение

.

Диссертационная работа является научной квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором экспериментальных и теоретических исследований изложены научно обоснованные решения по обеспечению устойчивости капитальных выработок, сооружаемых в скальном блочном массиве при подземной разработке мощных рудных месторождений системами с обрушением, что вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в горнорудной промышленности.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Автором выполнены натурные исследования в течение 28 лет, установлено более 120 замерных станций в стволах, камерах и горизонтальных выработках, произведено свыше 10 ООО замеров.

2. Впервые для выбора рационального расположения выработок, расчета крепи и устойчивости пород вокруг выработок предложено использовать напряжения, вызванные образованием зоны обрушения в процессе разработки месторождения.

3. Разработан метод выбора рационального расположения и оценки устойчивости капитальных выработок с учетом стабильности тектонических структурных блоков, оцениваемой на стадии строительства и на всех промежуточных этапах разработки месторождения. Неустойчивые нарушения ограничивают тектонические блоки, по которым в процессе разработки месторождения могут произойти смещения. Полностью неустойчивые тектонические нарушения располагаются вблизи контура зоны обрушения и направление их совпадает или близко к направлению действия максимальных сжимающих напряжений в массиве горных пород.

Для выбора места расположения стволов и других выработок наиболее благоприятным являются тектонические блоки, ограниченные нарушениями, сохраняющими устойчивость в процессе строительства и эксплуатации.

4. Разработан метод прогнозной оценки устойчивости незакрепленных камер и горизонтальных выработок с учетом формирования вторичного поля напряжений и структурных свойств массива горных пород.

Изменение угла наклона трещин в плоскости забоя не влияет на размер зоны разрушения вокруг выработки, а обуславливает лишь только форму зоны.

На размер зоны разрушения существенное влияние оказывает размер структурных блоков. Уменьшение размеров структурных блоков в 3 раза приводит к увеличению зоны разрушения пород в кровле в !, 4 раза.

Изменение соотношения горизонтальных напряжений к вертикальным (стг :<тв) с 2 до 2,5 приводит к увеличению размера зоны разрушения пород в кровле в 2,0 раза.

5. Установлены закономерности формирования напряжений в крепи стволов, камер и горизонтальных выработок в процессе проходки в горном массиве с неравномерным полем напряжений.

Установлена неравномерность нагружения крепи по периметру ствола, которая согласуется с анизотропией первоначального поля напряжений, действующего в массиве горных пород. Нагружение крепи ствола при совмещенной схеме проходки происходит на расстоянии около 3 диаметров ствола от забоя.

Образование двухсторонней рассечки сопряжения ствола с горизонтом приводит к увеличению горизонтальных сжимающих напряжений в крепи в 1,5−1,8 раза и вертикальных растягивающих в 2,0 раза на высоту, равную двум высотам рассечки от кровли сопряжения.

Установлена зависимость изменения корректирующего коэффициента а* для стволов до глубины 1150 м. До глубины 600 м корректирующий коэффициент а* изменяется от 0,06 до 0,14, а с 600 до 700 м изменяется более интенсивно с 0,14 до 0,5 и далее остается постоянной величиной, равной 0,5.

Проведение камер дробильного комплекса сверху вниз поэтапно приводит к увеличению сжимающих напряжений в кровле крепи в 1,5 раза при любых соотношениях горизонтальных напряжений к вертикальным, действующим в массиве горных пород.

6. На основе установленных закономерностей формирования напряжений в крепи капитальных выработок разработаны методы управления напряженно-деформированным состоянием крепи горного массива с учетом формирования вторичного поля напряжений, позволяющие снизить напряжения в крепи капитальных выработок в 2,0 раза и повысить их технологическую надежность, включающие: определение рациональных размеров эллипсовидных форм поперечного сечения камерных и горизонтальных выработок, основывающиеся на соответствии отношения ширины и высоты выработки и отношения горизонтальных напряжений к вертикальнымсоздание податливого закрепного пространства на основе расширяющихся тампонажных составовразработаны расширяющиеся тампонажные составы из отходов производства на уровне авторских изобретений и технология там-: нажа в подземных условияхтехнологию проведения и крепления стволов, заключающиеся в двухслойном возведении крепи и регулируемом отставанием крепи от забоя при совмещенном способе проходки.

7. Разработан комплекс технологических мероприятии, а проведение и крепление двухстороннего сопряжения ствола с горизон го: включающего опережающее упрочнение массива горных пород в кровле сопряжения и поэтапное возведение жесткой крепи ствола и сопряжения, по. юляющее снизить расслоение массива горных пород и снизить горизонтальные сжимающие и вертикальные растягивающие напряжения в крепи ствола в районе сопряжения почти в 2,0 раза.

8. Разработана новая конструкция армированного набрызгбетона на уровне авторского изобретения и расчет параметров опережающей гибкой анкерной крепи для крепления горизонтальных выработок, позволяющие повысить несущую способность окружающего выработку массива горных пород.

9. Внедрены рекомендации по выбору места расположения, расчета параметров крепи и оптимальных эллипсовидных форм поперечного сечения, разработанные на основе теоретических положений, сформулированных в диссертации, обеспечивших устойчивость подземных сооружений в процессе строительства и эксплуатации на предприятиях Донского горнообогатительного комбината, Гороблагодатского, Малышевского рудоуправлений, Свердловского метрополитена и других железорудных чахт Урала.

10. Результаты исследований использованы в обоснованна действующих нормативных документов, направленных на обеспечение усто йчивости капитальных выработок на шахтах Урала и Казахстана и явл>,-о, — хся обязательными для использования проектными институтами и горнорудными предприятиями при сооружении подземных выработок.

11. Фактический экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы на предприятиях производственного объединения «Уралруда» составил 1,2 млн руб. (в ценах 1992 года).