Введение к работе
Актуальность проблеми. При отработке залехей камерно-столбовой системой в гаесиЕЗ горних пород образуются пустоти, в которых оставляется болызое количество целшюв различного назначения, столбчатнх «еждукамзрныс к массивных опар, в рэзуль-тате чего формируется лкогоопорная породная конструкция. Несмотря на то, что параметры последней определяются с учетом шетгцегося огита к, паи правило, с большим запасом прочности, имсвт место случаи кассового разрушения мекдукаизрннх целикоз (;.-лЦ) с обрушением пород нзлегаздеП толци, что существенно снижает сф-Іепткзиоеть работы рудников. Оценка надежности лг-го-гоогорньк породнъх конструкций позволяет езос временно выявлять неустойчивые участям, ликзидирозать густоти, предотвращать знезапкие обрушения зе;,г-:ой поверхности в целом способствуя безопасному ведениэ горлах работ, более устойчиво" и эффективной работе горнэдабигакцих предприятий. Возникает необходимость в создании комплекса обоснованны* кетодоз оценни надежности элементов мотоопэрной городкоГі конструкцій, учитывающей изменчивость исходных данных и длительный срок 5 существования, что к определяет актуальность диссертационной работы.
Постановка и репение этой крупной научно-техннчэско-Л проблош о нетодах оценки к посилений ііадежности многоопор-ньтх породных конструкций позволяет обеспечить более устойчивую работу рудников уникального Лезказгакского месторождения, в недрах которого остазлено более 130 тысяч столбчатых: целиков к около 2С0 массивных:. В связи с истощением ochobhlk аапасоп неизбежна отработка целииоз, что киеет большое народнохозяйственное значение.
Работа выполнялась з соответствии с комплексной "Программой научно-исследовательских работ на 1982-1955 гг. по проблеме обеспечения устойчивости выработанного пространства и рационального исгользозания недр на Ггэказганском гор-да-металлургичасном ком5пнате" ( # госрегистрацан те;.: ОІ8240ІЗІ43 и 0IS230I3225),отраслевой научно-технической про-
граммы на 1986-1990 гг. "Создать расчетные методы к на их основе инженерные решения во управлению горным давлением" (№ госрегистрации .теки 01.86.0099990) и комплексной теш 177 института горного дела АН КазССР на 1936-1990 гг. "Исследование перспектив развития горние работ, обеспечивающих повышение безопасности к рационального использования сырьевой базы Даезказганокого горно-металлургического комбината" (№ госрегистрации 01.85.0096168).
Цель работы - создание теоретических основ надеяности мнетоо горных породных конструкций, включающей модели прочностной надежности, нагруженности и прочности швдукамерных целиков и методы, обеспечивающие эффективную эксплуатацию горнотехнических сооружений, образующихся при добыче полезг ньк ископаемых какерно-столбовой системи.
Основная идея работы заключается в использовании вероятностного подхода и количественной характеристике надежности шогоопорюй породной конструкции.
Задачи исследований. Поставленная цель обусловила необходимость исследования и разработки:
теоретических основ прочностной надежности горнотехнических сооружений, образующееся при добыче руды камерно -столбовамі системами;
обоснования моделей прочностной надежности ыногоопор-ньк породных конструкций;
моделей кагрукенности и прочности междукакерньк целиков;
методики оценки и прогнозирования устойчивости очистных выработок, образующихся' при камерно-столбовой системе разработки;
исследования ползучести и длительной прочности мекду-камерньк целиков;
методов контроля за состоянием больших объемов ijacсива горнкс пород при потере устойчивости или разрушении :,-:езду-какерных целиков;
методов обеспечения высокой надежности и эффективности очистных работ при камерно-столбовой разработке в услови-
ях длительного существования пустот.
Мдтоды исследований. Обобщение современных достижения' науки и практики работы горнодобывающих предприятий, а также уннкаїьньїх сооружений. При теоретических разработках отдельных положений проблеш приценялись негоди теории вероятностей и надежности, ползучести и длительной прочности, кеханл-ки горных пород, теорій сооружений, а т-акке метода математического моделирования. Эксперикентальные методы включали исследование процесса разрушения гортх пород в лабораторних и пгахтньк условиях.
Научные положения, выносимые на защиту:
выработанное пространство, в которой оставляются целики, рассматривается как ммэгоопорнал породная конструкции, качество функционирования которой оценивается вероятностью безотказной работы ее элементов;
процессы деформирования и разрушения многоопорной породной конструкции претерпевают во времени четыре основные стадии: совместное деформирование целиков и налегающей толщи пород, разрушение в условиях ползучести, прогрессирующего и затем катастрофического разрушения;
реальная жесткость кежцукамерньгс целиков варьирует в больших пределах, но распределение давления на эти конструкции пород налегающей толіци подчиняется детерминированным зависимостям;
детерг.шнировашше методы расчета, лримзняемые при разработке проектов, неприемлемы для оценки прочности фактически оставленных' в выработанном пространстве целиков из-за большого разброса геометрических параметров;
оценка и прогноз устойчивости очистных: выработок проводится на основе подели прочностной надежности с учетом фактора времени и включает две основные характеристики случайной величины - средний коэффициент запаса прочности и его вариацию;
применение метода геометризации для изучения геомеханических ситуаций позволяет получить дополнительную информацию о состоянии горнотехнических сооружения;
при определенном соотношении горно-геологических параметров (мощности пород налегающей толди, высоте выработанного пространства, коэффициенте разрыхления) а налегающей толще форлзіруется свод предельного разрушения;
контроль за механическим состоянием большие объемов (.ассива горкьк пород осуществляется методом акустической эмиссии с локацией мест возникновения повреждений и специальных маркшейдерско-гєодєзических наблюдений;
эксплуатационная надежность горнотехнических сооружений обеспечивается посредством мероприятий, предотвращающих разрушение олементов горных выработок и обруаение земной поверхности, совершенствования методов маркшейдерского обслуживания очистных работ и подбора параметров камерно-столбозой системы разработки.
Научная новизна работы:
модель прочностной надежности многоопорной породной конструкции, отличающаяся тем, что она основана на методах теории вероятностей и математической статистики и впервые используются две важнейшие статистические характеристики -средний -коэффициент запаса прочности и его вариация;
путем математического моделирования нагруженности неоднородных столбчатых междукамерных целиков в выработках, окруженных кесткими опорами, установлено, что давление на них распределяется сложным образом и значительно отличается от расчетные нагрузок, определяемых по гипотезам полного веса столба пород или свода давления;
метод определения нагрузок на неоднородные целики, располояекнае в выработках неправильной формы, отличающийся тем, что нагрузка на блок учитывает жесткости целиков и налегающей толщи, а нагрузка на целик распределяется из соотношения их яееткостей;
методика определения натурных параметров ползучести массива горных пород по данным длительных инструментальных наблюдений за сдвижением земной поверхности при добыче руды камерно-столбовой системой;
обобщение многочисленных натуркьх данных о стадийное-
ти разрушения больших объемов массизз горных город, отличающееся тем, что установлены закономерности формирования над очистной горной выработкой свода предельного разрусекня;
- применение метода геометризации для изучения геомеха-
ничгекк: ситуация при камерно-столбовой системо разработки
ка основе дпух моделей расположения целиков - дкфЗузкой, от-
ракакілєґі "слабое" взаимодействие целиков меяду собой и ;:у- _
мулятнзко;":, отра-каюх-ей "сильное" взаимодействие.
Обоснованность и достоверность научных положений, зкзо-доп и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждается:
использование:,! принятых теоретически предпосылок, базирующихся на представлениях и методах строительной механики, механик горних пород, положениях: теории вероятности и надежности;
сопоставлением данных ргечетоз надежности по 117 участкам с натурними наблюдениями за состоянием выработанных про-стганств, расхождение в оценке их устойчивости не преЕкпает 202;
использованием при лаборатории исследованиях и математическом моделировании апробированных: методик и вычислите л ып-к методов;
достаточно представительным и достоверным статистический материалом, используемым для определения параметров ползучести горних пород;
положительным опитой использования разработанных методик, указаний, рекомендаций и авторских свидетельств на изобретения на рудниках НПО "<%зказганцдетмет".
Лично автором:
установлены закономерности процесса деформирования и разрушения массива горных пород при камерно-столбовой системе разработки;
обоснован!! и разработаны методы оценки надежности горнотехнических сооружений, образующихся ігри добыче полезши ископаемых камерно-столбовой системой разработки;
разработаны модели прочностной надежности мяогоопор-ной геомеханичесной конструкции "целини-налегахцая толща го-
?
род" я частные модели, определение нагрузок на целики и их грозность;
предложены *.:етоды геометризации ел окнах геомеханичес-ккх ситуаций;
разработан комплекс мероприятий по повышению и обеспечению надежности горнотехнических сооружений, который включает способы укрепления разрушающихся целиков и потолочин, ликвидации ослабленных участков, оптимизацию параметров кашрко-столбоной системы, совершенствование методики марк-пейдерекпх работ, создание на горнодобывающих предприятиях геомзханическоЯ службы;
обоснованы и предложены вероятностные «одели накопления повреждений и методика контроля за состоянием больших объемов уассиза горных пород с использованием акустической эмиссии и деформометрического !.;етода;
проведена нормировка уровня устойчивости очистных горных Еырабогок, образующихся при камэрно-столбовой системе разработки;
разработана методика измерения продольных и поперечных деформаций целиков на больших базах;
обоснованы допуски на смешение междукамерных целиков в изолированных и перекрывающихся залежах;
оптимизирована параметра камерно-столбовой системы-разработки.
Практическая ценность работы состоит в разработке научно обоснованной методики оценки и прогнозирования устойчивости междукамерных целиков; экспертного метода выявления ослабленных участков, в совершенствовании параметров камер-ко-стоябоЕой системы, разработке методики определения безопасной глубины, d разработке комплекса рекомендаций, который включает способы укрепления раз русалке с я целиков и потолочин, ликвидацию ослабленных участков, совершенствования методов маркиейдерского обслуживания очистных горных выработок.
Реализация работы. В результате выполнения диссертационной работы соискателем разработаны и внедрены в НЮ "};!ез-
казганцветмет":
I. Рекомендация по укреплению столбчаткх междукаморных целиков / Институт "Дтезказгакцветмет", Джезказган. - Г93І.
?,. Указания по безопасному ведению горных работ на участках Джезказганского месторо;кдения, склонных :с горным ударам. - Институт горного дела АН КазССР. - Алма-Ата, 1935. -92 с.
-
Экспертный метод выявления ослабленных участков при разработке залекей камерними системами (Методические указания). - Алма-Ата - Джезказган. - 1989. - 25 с.
-
ї.ізтодические указания го контроля за оформлением и приемке целиков при добыче руди камерно-столбовой системи на рудниках НПО "Дкезказганцзетмет". - Алма-Ата - Джезказган, 1990. - 27 с.
-
.Методические указания по оцега;е и прогнозированию устойчивости мегкдукамеркых целиков. - Институт горного дэла
Ah' PH. - Алма-Ата, 1. - 48 с.
6. Устройство для задания направления горной выработке.
- А.с. « 1266995.
Апдобацяя работа. Основные положения диссертации доклады-валксь на ІУ Всесоюзном семинаре ш аналитическим методам к применению ЭВМ в механике горных пород (г.Новосибирск, 1962 г.); Всесоюзном семинаре "Теория и практика обоснования технологических ресений при подземной разработке рудіак месторождений" (г.Красноярск, 1983 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование подземкой разработки месторождений руд черных и цветных металлов" (г.Алма-Ата, 1934 г.); УЛІ и IX Всесоюзные научных конференциях "Комплексное исследование физических свойств горные пород и процессов" (г.Коскиа, 1984, 1937 гг.); X Всесоюзной конференции "Физические процессы горного производства" (г.."Ьсква, 1991 г.); Всесоюзном научно-техническом совещании "Научно-технические проблемы повк-пения эффективности работ к совершенствование маркшейдерской слунбы на горных предприятиях страны" (г.Свердловск, 1934 г.); П Всесоюзной иколе-езминаре "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород" (г.Фрунзе, 1985 г.); У Региокаль-
ной конференции молодые ученых "Разработка и совершенствование способов и средств добычи и обогащения полезных ископаемых Кольского полуострова" (г,Апатиты, 1987 г.); I и D Всесоюзных семинарах "Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья" (г.Фрунзе, 1937 г., Биїлкек, 1991 г.);. УН Юбилейной Уральской научно-технической конференции по системам подземной разработки руд цветных металлов (г.Свердловск, 1989 г.); Республиканской научно-практической конференции "Разработка научных основ комплексного освоения месторождений с учете,: изменения минерально-сырьевой базы действующих рудников" (г.Алма-Ата, 1989 г.); IX Всесоюзной конференции по механике горных пород (г.Фрунзе, 1939 г.); научно-технических совещаниях в НПО "Жззказганцветке?" (г.Джезказган, І979-І99І гг.); горно-технологической секции Ученого совета института горного дела АН Республики Казахстан (г.Алка-Ата, 1984-1990 гг.).
Публикации. ГЬ теме диссертации опубликовано 75 работ, из них 62 в издательствах и издаюцих организациях, рекомендуемых для апробации материалов докторских диссертаций.
Структура и сб'ьеи работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка использованной литературы из 249 наименований и шести приложений. Изложена на ^^страницах, включая 63 рисунка, 15 таблиц, приложение 37 страниц.
Автор выра-кает признательность научному консультанту академику НД.ІЇ РК К.С.Ержанову и доктору технических наук Е.К.Рогову за проявленное вникание, ценные консультации и помощь в подготовке диссертации.
