Введение к работе
. /актуальность проблемы. Необходимость прогнозных расчетов параметров процесса сдвижения горных пород с целью оценки влияния подземных горных разработок на окружающие объекты существовала на протяжении всей истории развития горного дела и особую актуальность приобрела в связи с интенсивным углублением и ростом объемов добычи на современных горных предприятиях. Специфика решения проблемы охраны сооружений п природных объектов состоит в том, что все генеральные решения принимаются, как правило, на стадии проектирования горного предприятия. В этот период производится размещение основных капитальных сооружений промышленной площадки шахты, в том числе ее стволов, оценивается степень воздействия процесса сдвижения на существующие окружающие сооружения и природные объекты, разрабатываются меры по их охране.
Но именно на этой стадии знания о характере и основных параметрах сдвижения горных пород, базирующиеся на методе аналогии, оказываются недостаточными. В последующем, по мере накопления знаний в процессе разработки месторождения, меры охраны корректируются. Но просчеты, допущенные при проектировании, оборачиваются серьезным материальным ущербом, а иногда и человеческими жертвами. Только на* рудниках черной металлургии Урала и Казахстана в предохранительных целиках законсервировано более 180 млн т рудных запасов.
Особое значение проблемы охраны сооружений от подработки имеют на мощных рудных месторождениях, разрабатываемых системами с обрушением в скальных массивах горных пород, где из-за достаточно больших масштабов добычи за пределами зоны обрушения образуются обширные области влияния подземных разработок со множеством объектрв как самого предприятия, так и окружающей инфраструктуры.
Следовательно, разработка геомеханических моделей и методов расчета параметров процесса сдвижения в области влияния подземной разработки мощных рудных месторождений в скальных массивах системами с обрушением налегающих пород, повышающих надежность проектирования мер охраны объектов от воздействия горных работ, является актуальной крупной научной
проблемой, решению которой посвящается диссертационная ра
бота. .
Диссертация обобщает результаты плановых научных исследований ИГД МЧМ СССР (сегодня ИГД УрО РАН), в том числе: "Исследовать сдвижение земной поверхности, вызываемое подземной добычей железных руд, и выдать рекомендации проектным организациям для обоснования охранных целиков охраняемых поверхностных сооружений но рудникам Северного Урала" {№ гос. per. 007021, 1972 г.); "Исследование сдвижения земной поверхности, вызываемого подземной добычей железных руд на рудниках Среднего и Южного Урала" (М гос. per. 73016204, 1973 г.); "Исследование сдвижения земной поверхности, вызываемого подземной добычей железных руд, и' выдача рекомендаций проектным организациям для обоснования построения охранных целиков охраняемых поверхностных сооружений (по рудникам Казахстана)" (Ш гос. per. 74006176, 1974 г.); "Исследование сдвижения горных пород на шахте Северопесчанская" (№ гос. per. 74059573, 1976 г.); "Анализ эффективности мер охраны промышленных запасов руд в предохранительных целиках на подземных предприятиях Минчермета СССР (Урало-Казахстанский регион)" (№ гос. per. 018400400742, 1985 г.); "Обоснование и разработка правил охраны земельных ресурсов и сооружений от вредного влияния горных разработок на предприятиях Урала и Казахстана" (№ гос. per. 01860074778, 1988 г.):
Цель работы — установить закономерности деформирования массива горных пород и земной поверхности в области влияния подземных разработок мощных рудных месторождений в скальных массивах для обоснования геомеханических моделей и методов расчета параметров сдвижения и деформаций, обеспечивающих рациональное размещение и безопасную эксплуатацию разрабатываемых сооружений и природных объектов, а также полную выемку запасов полезного ископаемого.
Идея работы заключается в использовании взаимосвязи параметров сдвижения скальных массивов горных пород и земной поверхности в области влияния подземных разработок мощных рудных месторождений с полным тензором первоначальных напряжений, включающим гравитационные и тектонические силы, для совершенствования методов расчета сдвижения горных пород.
В соответствии с целью и идеей в диссертационной работе по ставлены следующие задачи исследований:
-
На основе обобщения инструментальных наблюдений з развитием процесса сдвижения на горнорудных предприятия* Урала и Казахстана, охватывающих период более 25 лет, вы явить взаимосвязь сдвижений горных пород с их первоначальным напряженным состоянием.
-
Разработать геомеханическую модель процесса сдвижения горных пород на мощных рудных месторождениях со скальными вмещающими породами, при разработке которых образуется зона обрушения.
-
Разработать метод расчета горизонтальных и вертикальных сдвижений и деформаций, учитывающий конкретные напряжения в нетронутом массиве горных пород.
-
Установить основные закономерности формирования мульды сдвижения в зависимости от формы зоны обрушения и параметров напряжений.
-
Провести специальные промышленные эксперименты по исследованию достоверности и надежности теоретических положений и методов расчета.
Методы исследований. Основные научные и практические результаты диссертационной работы получены с использованием комплексного метода исследования, включающего: теоретическое обобщение современных знаний о деформировании массивов скальных пород при разработке^месторождений полезных ископаемых и других масштабных воздействиях на массивы горных пород, практики охраны объектов от вредного влияния подземных разработок; теоретические методы механики твердого деформируемого тела; лабораторные, опытно-промышленные и теоретические исследования деформирования массива горных пород при подземной разработке рудных месторождений; статистические методы изучения опытных данных; технико-экономический анализ результатов промышленных экспериментов и внедрения рекомендаций по охране сооружений.
В работе защищаются следующие основные научные положения, разработанные автором:
1. Процесс сдвижения скальных массивов горчых пород в области влияния подземных разработок мощных рудных месторождений системами с обрушением^ развивается по законам теори
упругости в зависимости от первоначального напряженного со
стояния, состоящего из гравитационных и тектонических сил, ис
пользуемого в геомеханических моделях в качестве граничных
условий. "'.,
-
Горизонтальные сдвижения и деформации скальных массивов, горных пород в области влияния подземных разработок в сечениях, удаленных от торца зоны обрушения более чем на ее радиус, определяются законами деформирования упругой плоскости р условиях плоского напряженного состояния, отображающей горизонтальное сечение геомеханической модели разрабатываемого месторождения, в качестве граничных условий которой задаются горизонтальные напряжения, действующие на расчетной глубине.
-
Вертикальные сдвижения скальных массивов горных пород в области влияния подземных разработок определяются интегрированием на полную глубину разработок вертикальных деформаций единичных горизонтальных сечений, работающих в условиях плоского напряженного состояния, с заданием дифференцированных граничных условий, соответствующих распределению горизонтальных напряжений по глубине. .
-
Дискретный характер распределения сдвижений и. деформаций в области влияния подземных разработок, обусловленный блочным строением скального массива горных пород, определяется размером исследуемого участка и учитывается в расчетах экспериментально установленными коэффициентами корреляции между сдвижениями и деформациями в модельных и реальных средах.
-
Величинами сдвижений и деформаций скальных массивов горных пород на охраняемых участках в области влияния подземных разработок управляют путем придания зоне обрушения рассчитанной формы, при которой максимальные сдвижения и деформации не превысят допустимых значений.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций достигаются:
-
Применением теоретических положений теории упругости, механики горных пород, инженерной геологии, математического моделирования полей сдвижений и деформаций.
-
Эмпирическими исследованиями в натурных условиях раз-ічгпія процесса сдвижения на рудных месторождениях Урала и
Казахстана и статистическим анализом результатов инструментальных наблюдений за более чем 25-летний период на 13 месторождениях, охватившим более ста профильных линий и свыше 1500 реперов.
-
Проведением специальных промышленных экспериментов при разработке рудных месторождений со статистическим сопоставлением результатов инструментальных наблюдений по поверхностным и подземным профильным линиям и расчетных значений сдвижений и деформаций.
-
Результатами внедрения рекомендаций по решению практических вопросов охраны сооружений на Северопесчанском, Го-роблагодатском, Высокогорском, Лебяжинском и других месторождениях, применением согласованных с Госпроматомнадзором СССР и Госгортехна^зором КазССР и утвержденных Минметом СССР "Правил охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на месторождениях руд черных металлов Урала и Казахстана", нормативные параметры которых обоснованы разработками диссертации.
Научное значение диссертации заключается в установлении зависимости параметров процесса сдвижения скального массива горных пород в области влияния подземных разработок мощных рудных месторождений системами с обрушением от первоначального напряженного состояния и доказательство возможности использования этих зависимостей для расчета сдвижений и деформаций.
Научная новизна работы заключается в следующем: " — теоретически обосновано применение законов теории упругости для расчетов сдвижений и деформаций скальных массивов горных пород в области влияния подземной разработки мощных рудных месторождений;
разработаны методики расчета горизонтальных и вертикальных сдвижений и деформаций, в которых в качестве граничных условий вводится полный тензор первоначальных напряжений;
установлены закономерности формирования параметров мульды сдвижения в зависимости от параметров зоны обрушения и первоначального напряженного состояния;
— выявлен дискретный характер деформирования скального массива и установлены параметры неравномерного распределения сдвижений и деформаций в зависимости от размеров участка.
Практическая ценность работы состоит в использовании разработанных методов расчета сдвижений для решения следующих задач:
оценки влияния сдвижения горных пород на безопасность существующих, строящихся и проектируемых охраняемых объектов и сохранность земельных угодий;
проектирования мер охраны объектов в зоне влияния горных работ;
управление процессом сдвижения в зоне влияния подземных разработок путем выбора оптимальных вариантов разработки месторождения.
Практическая реализация теоретических положений, выводов и рекомендаций работы осуществлялась при решении конкретных вопросов охраны сооружений на железорудных предприятиях Урала. Так, прогнозирование закономерностей ргзвития процесса сдвижения на" Северопесчаыском месторождении позволило вовлечь в разработку барьерный предохранительный целик с запасами 8,0 млн т руды, 2,5 млн т руды из предохранительного целика лежачего бока, обосновать и по согласованию с Госпроматом-кадзором СССР утвердить в Минчермете СССР новые нормативные углы сдвижения, обеспечивающие дополнительное вовлечение в разработку 4,5 млн т руды.
Уточнения нормативных углов сдвижения по породам висячего бока Высокогорского месторождения, внесенные по согласованию с Госпроматомнадзором СССР в действующие правила, позволили отработать свыше 6 млн т руды из предохранительного целика.
В условиях Гороблагодатского месторождения проведенные исследования обеспечили безопасность совместной разработки месторождения открытым и подземным способом, что продлило срок службы карьера с годовой производительностью 1 млн т руды на 15 лет и позволило складировать ежегодно 2 млн т пород вскрыши карьера в зону обрушения шахты.
Научные положения, выводы и рекомендации работы использованы при обосновании нормативных параметров сдвижения горных пород "Правил охраны сооружений и природных объектов (>
вредного влияния подземных разработок на месторождениях руд черных металлов Урала и Казахстана" (Утв. 2.08.90 Минметом СССР, согл. 21.06.90 Госпроматомнадзором СССР и 19.04.90 Гос-гортехнадзором Каз. ССР), предназначенных для проектирования мер охраны сооружений и природных объектов на подземных добывающих предприятиях металлургической промышленности.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзных семинарах "Измерение напряжений в массиве горных пород" (г. Новосибирск, 1975 г., 1977 г., 1979 г., 1982 г.), на Всесоюзном семинаре "Физические свойства пород в массиве" (г. Новосибирск, 1980 г.), на Всесоюзном симпозиуме "Отражение современных полей напряжений и свойств пород в состоянии скальных массивов" (г. Апатиты, 1977 г.), на Всесоюзном симпозиуме "Тектонические основы и ин-женерно-геологичекие аспекты изучения напряженного состояния пород при разведке и эксплуатации месторождений" (г. Апатиты, 1983 г.), на VI Всесоюзной конференции по механике горных пород (г. Фрунзе, 1978 г.), на семинаре по горной геофизике (г. Те-лави, 1989 г.), на Международных симпозиумах по механике и физике горных пород "Rock at Great Depth" (г. По, Франция, 1989 г.) и "Assessment and Prevention of Failure Phenomena in Rock Engineering" (г. Стамбул, Турция, 1993 г.), на научном семинаре МГИ "Давление горных пород" (г. Москва, 1984 г.), на технических совещаниях ВІЮ "Союзруда" Минчермета СССР (г. Москва, 1980 г., 1983 г.), на технических совещаниях ПГО "Уралруда" (г. Свердловск, 1973—1983 гг.), на техсовстах Богословского (г. Краснотурьинск), Гороблагодатского (г. Кушва), Высокогорского (г. Нижний Тагил), Бакальского (г. Бакал), Атасуйского (г. Ка-ражал) рудоуправлений.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ.
Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, изложенных на 292 страницах машинописного текста, содержит 82 рисунка, 23 таблицы, список использованных источников из 142 наименований и приложения.
