Введение к работе
Актуальность работы
Основные технологические сложности при строительстве Яковлевского рудника связаны с уникальным геологическим строением глубокозалегающего месторождения богатых руд КМА. Сложные гидрогеологические условия Яковлевского месторождения обусловлены наличием в разрезе покрывающих пород девяти водоносных горизонтов, которые имеют значительные водообильности и высокие напоры. Необходимость сохранения водозащитных свойств покрывающей выработанное пространство рудной и породной толщи определяет высокие требования к ведению подготовительных и очистных (закладочных) работ.
Строительство искусственного перекрытия над участком первоочередной выемки богатых руд Яковлевского месторождения позволяет ускорить введение в эксплуатацию рудника и открывает перспективы создания аналогичных схем разработки для других предприятий по добыче богатых железных руд, запасы которых сосредоточены в Белгородской области.
Принятая на руднике слоевая система разработки с твердеющей закладкой в нисходящем порядке под защитным перекрытием, требует оценки напряженно-деформированного состояния вмещающего массива для обеспечения устойчивости очистных выработок.
Значительный вклад в исследование процесса деформирования и разрушения пород вокруг горных выработок, а также определения параметров напряженно-деформированного состояния в целиках между выработками внесли: К.А. Ардашев, И.В. Баклашов, Н.С. Булычев, И.Е. Долгий, Б.А. Картозия, М.В. Карнилков, О.В. Ковалев, А.А. Козырев, К.П. Безродный, П.М. Цимбаревич, К.В. Руппенейт, Ф.П. Бублик, B.C. Сажин, Ю.Н. Огородников, А.Г. Протосеня, О.В. Тимофеев, В.Л. Трушко, Н.Н. Фотиева, В.М. Шик и другие.
Основным недостатком буровзрывной и комбайновой технологии проведения выработок защитного перекрытия с крепью КМП-АЗ является большая площадь породных обнажений из-за значительных переборов руды при проходке (по замерам средние по контуру переборы составляют 0,40 м) и неполной закладки выработок бетоном (недозаклад). При проходке выработок вприсечку к закла-
дочному бетону сказывается несоответствие этих технологий состоянию рудного массива.
Проходка выработок защитного перекрытия в рыхлых рудах Яковлевского месторождения вприсечку к закладочному массиву сопряжена с опасностью обрушения руды с боков и кровли. Геомеханическое обоснование конструкций и параметров крепи выработок, обеспечивающих безопасность и качество работ при строительстве защитного перекрытия, является актуальной задачей.
Цель диссертационной работы: обеспечение устойчивости выработок при проходке в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массиву.
Идея работы: рациональные конструкции и параметры крепи выработок при проходке в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массиву должны выбираться на основе прогноза их устойчивости, базирующегося на результатах натурных исследований и математического моделирования, с учетом характера передачи нагрузки от вышележащей толщи на закладочный массив.
Основные задачи исследования:
проведение натурных наблюдений за устойчивостью массива вокруг выработок при проходке в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массиву;
разработка конечно-элементных моделей, имитирующих проходку и закладку выработок, проводимых вприсечку к закладочному массиву;
определение параметров напряженно-деформированного состояния вмещающего рудного массива вокруг выработок, проводимых вприсечку к закладочному массиву;
выбор оптимальных конструкций и параметров крепи выработок при проходке в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массиву;
разработка рекомендаций по креплению и проходке выработок при проходке вприсечку к закладочному массиву.
Методы исследований.
Использовалась комплексная методика исследований, включающая:
натурные наблюдения за проявлением горного давления в выработках, пройденных вприсечку к закладочному массиву;
численное моделирование процессов деформирования рудного массива при проходке выработок вприсечку к закладочному массиву, с использованием программного комплекса Simulia Abaqus;
испытания в шахтных условиях рекомендуемых типов крепи.
Научная новизна работы:
На базе шахтных исследований и численного моделирования установлены:
зависимость размеров и конфигураций зон разрушения рудного массива в кровле и боках выработок при проходке вприсечку к закладочному массиву от деформационно-прочностных свойств рудного массива, порядка проходки, качества оконтуривания и недозаклада выработок;
закономерности изменения величины воспринимаемой закладочным массивом нагрузки от вышележащей толщи руд и пород при различных деформационно-прочностных свойствах рудного массива.
Защищаемые положения:
в рыхлых рудах в краевой части присечки выявлен эффект раздавливания массива, характеризующийся образованием зоны предельного состояния и формированием горизонтальных смещений, причем с проходкой второй и третьей выработок изменение параметров напряженно-деформированного состояния в присечке не превышает 20 и 10% соответственно;
при недозакладе выработок бетоном величина воспринимаемой закладочным массивом нагрузки от вышележащей толщи руд и пород определяется устойчивостью угловых целиков между смежными выработками;
- устойчивость присечных выработок должна оцениваться
комплексным критерием напряженности Пв, учитывающим величи
ну недозаклада, порядок проходки и деформационно-прочностные
свойства вмещающего массива.
Практическая значимость работы:
- обоснованы рациональные конструкции и параметры крепи
выработок, пройденных вприсечку к закладочному массиву, для
различных типов руд Яковлевского месторождения;
разработан способ дозакладки пустот в кровле очистных заходок при отработке верхнего слоя с закладкой (патент на изобретение №2435964 опубликовано: 10.12.2012 г.);
разработан способ повышения устойчивости потолочины при слоевой разработке залежи в нисходящем порядке с закладкой (заявка на изобретение № 2010147581/03(068728) от 22.11.2010 г, решение о выдаче патента от 2 декабря 2011 г);
разработан способ опережающего крепления кровли при выемке целика между бетонной закладкой (заявка на изобретение № 2010142821/03(061543) от 19.10.2010 г, решение о выдаче патента от 21 июня 2011 г).
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается значительным объемом натурных наблюдений за состоянием крепи и деформациями породного контура выработок в различных горнотехнических условиях, исследованием прочности закрепления анкеров, моделированием напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок методом конечных элементов, а также испытанием рекомендованных конструкций и параметров крепи в присечных выработках на производстве.
Апробация диссертации. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференции молодых ученых в Краковской горнометаллургической академии (2010 г.); ежегодных конференциях молодых ученых и студентов в 2010-2011 г. (СПГГУ, Санкт-Петербург); на международном форуме молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2010 г.).
Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований, в сборе данных по объекту исследования и обзоре научной литературы, проведении натурных исследований, обработке и анализе полученных данных, создании конечно-элементных моделей для исследования особенностей формирования областей предельного состояния вокруг выработок, проводимых вприсечку к закладочному массиву, выполнении численных экспериментов и разработке практических рекомендаций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 4 работы в изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России, получен один патент на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 198 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 97 наименований, 66 рисунков и 27 таблиц.
