Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Концепция развития геомеханического обеспечения камерно-столбовой системы разработки месторождений Североуральского бокситового бассейна на больших глубинах 13
1.1 Общие положения 13
1.2 Анализ горно-геологических и горно-технических условий разработки месторождений. 17
1.3 Факторы проявления удароопасности и технологические решения по повышению безопасности применения КССР 22
1.4 Оценка эффективности и достаточности применяемых методов определения параметров КССР на шахтах СУБРа 51
1.5 Оценка эффективности и достаточности применяемых методов прогноза и предотвращения горных и горно-тектонических ударов на шахах СУБРа 63
1.6 Основные направления развития геомеханического обеспечения КССР в удароопасных условиях на больших глубинах 68
Выводы по главе 1 69
Глава 2 Геомеханическое обеспечение расчета допустимых параметров КССР 72
2.1 Анализ устойчивости междукамерных целиков в выработанном пространстве рудной залежи 72
2.2 Определение допустимой ширины междукамерных целиков с учетом их остаточной прочности 84
2.3 Определение допустимых размеров выработанных пространств 98
2.4 Определение параметров профилактических мероприятий для обеспечения безопасной отработки участков рудной залежи, превышающих допустимые размеры выработанных пространств 132
2.5 Определение допустимых пролетов кровли очистных камер при наличии в выработанном пространстве барьерных целиков 150
Выводы по главе 2 155
Глава 3 Геомеханическое обеспечение автоматизированной системы определения параметров прогнозно-профилактических мероприятий по предотвращению горных и горно-тектонических ударов 158
3.1 Принципы геодинамического моделирования участков шахтных полей 158
3.2 Методология комплексной оценки геомеханического состояния блочного массива горных пород 161
3.3 Методика оценки напряженно-деформированного состояния рудной залежи с учетом запредельного деформирования междукамерных целиков в выработанном пространстве 167
3.4 Методика определения допустимых параметров скважинной разгрузки 189
3.5 Методика оценки напряженно-деформированного состояния рудной залежи и целиков с учетом влияния тектонических нарушений 192
Выводы по главе 3 212
Глава 4 Программное обеспечение автоматизированной системы определения параметров прогнозно-профилактических мероприятий по предотвращению горных и горно тектонических ударов 214
4.1 Структура и функциональные возможности программного обеспечения 214
4.2 Автоматизация программного обеспечения 219
4.3 Прогнозирование напряженно-деформированного состояния и разрушения массива горных пород в зонах влияния тектонических нарушений 226
4.4 Определение параметров прогнозно-профилактических мероприятий по предотвращению горных и горно-тектонических ударов при применении КССР 237
Выводы по главе 4 245
Глава 5 Опытно-промышленные испытания геомеханического обеспечения 248
5.1 Опыт применения расчетных параметров КССР на шахтах СУБРа 248
5.2 Натурные исследования, физическое моделирование и численные расчеты напряженно-деформированного состояния рудной залежи и целиков 262
5.3 Натурные исследования и численно-аналитические расчеты параметров прогнозно-профилактических мероприятий по предотвращению горных ударов 269
5.4 Натурные исследования и численно-аналитические расчеты напряженно-деформированного и удароопасного состояния массива горных пород в зонах влияния тектонических нарушений 280
Выводы по главе 5 295
Глава 6 Практические рекомендации по применению геомеханического обеспечения 298
6.1 Руководство по выбору параметров камерно-столбовой системы разработки удароопасных рудных залежей 298
6.2 Технология компьютерного моделирования напряженно-деформированного и удароопасного состояния рудной залежи и целиков 304
6.3 Использование автоматизированной системы прогнозирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород при решении геомеханических задач, возникающих на других горнодобывающих предприятиях 332 Выводы по главе 6 352
Заключение 357
Список литературы
- Факторы проявления удароопасности и технологические решения по повышению безопасности применения КССР
- Определение допустимых размеров выработанных пространств
- Методика определения допустимых параметров скважинной разгрузки
- Прогнозирование напряженно-деформированного состояния и разрушения массива горных пород в зонах влияния тектонических нарушений
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Алюминиевый комплекс России испытывает дефицит в бокситовом сырье, что вынуждает производителей импортировать руду. Намечаемые к 2030 году масштабные структурные изменения в оборонно-промышленном комплексе, авиастроении, судостроении, атомной энергетике, транспорте и строительстве, предусмотренные государственными отраслевыми программами, требуют существенного увеличения производства алюминиевой продукции и, как следствие, развития минерально-сырьевой базы по бокситам. При этом важнейшей задачей развития российской алюминиевой промышленности является замещение импортного бокситового сырья отечественным.
В России ежегодно около 65% высококачественных бокситов добывается подземным способом (3,3 млн т) на месторождениях Североуральского бокситового бассейна (рисунок 1), разрабатываемых ОАО «Севурал-бокситруда» (ОАО «СУБР»). Конкурентоспособные запасы боксита сконцентрированы на рудных месторождениях Красная Шапочка, Кальинское, Ново-Кальинское, Черемуховское и Сосьвинское и подтверждены до глубины 2000 м с перспективой отработки более чем на 100 лет.
Для реализации программных задач «Стратегии развития металлургической промышленности России на период до 2020 года» на ОАО «СУБР» планируется увеличение мощности по добыче бокситов. При этом эффективное развитие российской минерально-сырьевой базы алюминиевой отрасли осложняется необходимостью вовлечения в отработку запасов руды Североуральских бокситовых месторождений на больших глубинах, характеризующихся сложными горно-геологическими, горно-техническими и геодинамическими условиями.
Основной объем запасов (более 85 %) Североуральских бокситовых месторождений отрабатывается камерно-столбовой системой разработки (КССР), отличающейся простотой, высокими технико-экономическими показателями и управлением горным давлением при помощи целиков (рисунок 2). В то же время применение данной системы в удароопасных условиях без использования комплекса специальных противоударных мероприятий зачастую приводит к разрушению очистных выработок, целиков, травмированию горнорабочих, необходимости остановки горных работ, проведения расследований и, как следствие, к снижению эффективности добычи бокситового сырья.
Анализ актов расследований случаев горных ударов на существующих глубинах, превышающих 800 м, показал, что основной причиной нарастания геодинамических процессов, связанных с разрушением опорных
целиков и краевых частей рудной залежи, является неучет действовавшими методиками ряда геомеханических процессов, существенно проявивших себя на больших глубинах. В их числе: формирование зон предельно-напряженного состояния в краевой части рудной залежи и барьерных целиках, разупрочнение междукамерных целиков, разрушение поверхностей сместителей тектонических нарушений, формирование неоднородного техногенного поля напряжений в рудной залежи в результате ее неравномерной изрезанности горными работами, влияние сложной морфологии и литологии рудной залежи, и ряда других факторов.
Ввиду того, что обеспечение безопасного ведения горных работ является обязательным для горнодобывающих предприятий, развитие геомеханического обеспечения КССР удароопасных залежей на больших глубинах в части модернизации существующих, создании и научном обосновании новых методов расчета допустимых параметров конструктивных элементов КССР, программных средств прогнозирования и профилактики горных ударов становится важной актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит повысить безопасность ведения горных работ и обеспечить стабильный объем добычи бокситовой руды в удароопасных условиях.
Связь темы диссертации с научно-техническими программами. Диссертационные исследования выполнены в рамках проекта № 15104 «Геомеханические исследования устойчивости массива горных пород в зонах разрывных тектонических нарушений» Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» Министерства образования и науки Российской Федерации; государственного контракта № 6.30.007 «Разработка конкурентоспособных ресурсосберегающих технологий подземной и открытой отработки месторождений твердых полезных ископаемых в сложных горно-геологических условиях при высоком уровне концентрации горных работ», в соответствии с планами научно-исследовательских работ Межотраслевой координационной программы «Геодинамическая безопасность» Ростехнадзора.
Из основных, выполненных по тематике диссертации научно-исследовательских работ на крупнейших горнодобывающих предприятиях минерально-сырьевого комплекса России (ОАО «Севуралбоксит-руда», ОАО «ГМК «Норильский Никель», ОАО «Апатит» и др.), разрабатывающих удароопасные рудные месторождения сложного геологического строения на больших глубинах, в которых отражаются актуальность, теоретические положения и практические результаты диссертационного исследования, можно выделить следующие: «Оценка
безопасных условий применения камерно-столбовой системы разработки (КССР) при отработке удароопасных бокситовых месторождений Североуральска на современных глубинах и разработка рекомендаций по параметрам КССР для глубины 1000 м и более» (1999-2003 гг.), «Руководство по выбору конструктивных параметров камерно-столбовой системы разработки на шахтах ОАО «Севуралбокситруда», отрабатывающих месторождения с глубиной 1000 м и более» (2004 г.), «Разработать компьютерную модель блочной структуры шахты «Кальинская» ОАО «СУБР» (2004 г.), «Выполнить оценку соответствия применяемых на шахтах 14-14бис и «Кальинская» ОАО «Севуралбокситруда» систем разработок горно-геологическим и горнотехническим условиям их применения» (2005 г.), «Разработать и внедрить программный комплекс «PRESS 3D URAL» для перспективной и текущей оценки напряженно-деформированного состояния и удароопасности участков шахтных полей Североуральских бокситовых месторождений» (2006-2007 гг.), «Разработка дополнения к Проекту «Камерно-столбовая система разработки бокситовых месторождений на глубине 1000 и более метров на шахтах ОАО «Севуралбокситруда» по выбору конструктивных параметров камерно-столбовой системы разработки» (2011 г.), «Разработка методики для оценки эффективности разгрузочных скважин при формировании защищенных зон» (2006 г), «Разработка структуры геомеханического модуля к программному обеспечению Mincom MineScape» (2008 г.), «Проведение анализа и разработка рекомендаций по выделению нагруженных блоков в сейсмоактивных зонах» (2011 г.); «Регламент на отработку подземным способом прибортовых и подкарьерных запасов Коашвинского месторождения ОАО «Апатит»» (2009 г.).
Цель работы. Повышение безопасности ведения горных работ камерно-столбовой системой разработки в удароопасных условиях на больших глубинах.
Основная идея работы заключается в том, что повышение безопасности применения КССР в удароопасных условиях больших глубин разработки достигается за счет развития геомеханического обеспечения КССР, позволяющего получать научно-обоснованные решения по выбору допустимых параметров управления горным давлением и ударо-опасным состоянием рудной залежи и междукамерных целиков.
Основные задачи исследований:
1. Изучить процессы деформирования междукамерных целиков на больших глубинах в шахтных условиях и выполнить оценку их механического состояния при различных размерах выработанных пространств, прочностных и деформационных характеристиках междукамерных целиков.
-
Исследовать факторы, влияющие на формирование нагрузок на междукамерные целики, разработать и апробировать в шахтных условиях инженерный метод определения их допустимой ширины с учетом их механического состояния.
-
Разработать и апробировать в шахтных условиях аналитический метод определения безопасных размеров выработанных пространств на основе теории предельного состояния (опорного давления) с учетом механического состояния междукамерных целиков в выработанном пространстве.
-
Исследовать факторы, влияющие на формирование нагрузок на барьерные целики, разработать и апробировать в шахтных условиях инженерный метод определения их допустимой ширины с учетом влияющих факторов.
-
Разработать на основе численных алгоритмов программный комплекс, позволяющий оперативно прогнозировать параметры напряженно-деформированного и удароопасного состояния на участках рудной залежи с учетом резкого изменения гипсометрии, конфигурации краевой части и физико-механических свойств рудной залежи и целиков, наличия тектонических нарушений и параметров скважинной разгрузки.
Объектом исследования являются удароопасные рудные месторождения Североуральского бокситового бассейна.
Предметом исследования является система геомеханического обеспечения камерно-столбовой системы разработки в удароопасных условиях на больших глубинах.
Методология и методы исследований. Основной теоретической базой диссертационных исследований является теория горных ударов. Для достижения поставленной цели также использовался комплекс методов исследований, включающий: научный системный анализ и обобщение данных экспериментальных и теоретических исследований российских и зарубежных ученых в области геомеханических и геодинамических процессов, происходящих при отработке рудных месторождений с оставлением целиков различного назначения при применении систем разработки с естественным поддержанием кровли очистного пространства, с обрушением вмещающих пород и руд и с закладкой выработанного пространства; методы сопротивления материалов, теории упругости, пластичности, механики сплошной среды, вычислительной математики; лабораторные методы с применением эквивалентных материалов; аналитические исследования напряженно-деформированного, удароопасного состояния и устойчивости целиков с
применением инновационных технологий компьютерного моделирования; анализ данных карточек горных ударов и протоколов комиссионных обследований состояния целиков и горных конструкций в условиях динамических форм проявления горного давления.
Полученные результаты исследований сопоставлялись с данными натурных наблюдений и практики ведения горных работ.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Определены направления развития геомеханического обеспечения камерно-столбовой системы разработки удароопасных рудных месторождений на больших глубинах, позволяющие значительно повысить безопасность применения КССР и развивающие теорию механики горных ударов, управления горным давлением и удароопасным состоянием рудной залежи и целиков.
-
Установлены закономерности изменения напряженного состояния и устойчивости междукамерных целиков с учетом влияния различных горно-геологических и горнотехнических факторов, позволяющие заключить, что на глубинах, превышающих 800 м, междукамерные целики не выдерживают нагрузок от давления вышележащих пород, разрушаются и переходят на остаточную прочность для всех разновидностей бокситовых руд. Неучет запредельного режима деформирования приводит к занижению в 1,5 раза грузонесущей площади поперечного сечения междукамерных целиков, сложенных мягкими и средней крепости рудами.
-
Усовершенствована методика определения модуля спада с учетом действия предельных разрушающих касательных напряжений паспорта контактной прочности руды, обеспечивающего резерв по увеличению допустимого пролета выработанного пространства в 1,5-2,0 раза при отработке наиболее удароопасных прочных и средней прочности бокситовых руд, а также позволяющее избежать завышения эффективности профилактических мероприятий в 1,3-1,5 раза для мягких и средней прочности бокситовых руд.
-
Выявлено, что основное влияние на допустимую ширину барьерных целиков оказывает мощность и прочность рудной залежи в месте расположения целиков и определено оптимальное соотношение «ширина-высота» барьерных целиков по обеспечению их несущей способности и исключению в них горных ударов, равное 3,0-3,5.
-
Развит метод граничных интегральных уравнений пространственной задачи теории упругости, позволяющий осуществлять количественную оценку напряженного состояния рудной залежи и целиков с дополнительным учетом влияния зон разрушения на контактной поверхности сместителя крупноамплитудного тектонического нарушения.
-
Усовершенствовано выражение для определения модуля спада, в котором предложено дополнительно учитывать коэффициенты интенсивности напряжений и предельные разрушающие касательные напряжения паспорта контактной прочности руды для прогнозирования уда-роопасности рудной залежи и целиков.
-
Разработаны численные алгоритмы для применения аналитического модуля программного комплекса «PRESS 3D URAL» для прогнозирования напряженного и удароопасного состояния рудной залежи и целиков, а также определения параметров заблаговременной скважин-ной разгрузки удароопасных зон.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Повышение безопасности применения камерно-столбовой системы разработки в удароопасных условиях на больших глубинах требует комплексного подхода, основанного на применении предлагаемой концепции развития геомеханического обеспечения камерно-столбовой системы разработки с учетом изменения характера влияния природных и техногенных факторов на состояние выработок и горных конструкций.
-
Определение несущей способности и допустимой ширины междукамерных целиков при больших глубинах ведения горных работ и развитых выработанных пространствах должно осуществляться с учетом их остаточной прочности. Неучет этого условия приводит к занижению в 1,5 раза грузонесущей площади поперечного сечения междукамерных целиков, представленных разновидностями мягких и средней крепости руд.
-
Определение допустимых пролетов выработанного пространства с учетом действия предельных разрушающих касательных напряжений паспорта контактной прочности руды дает резерв по увеличению допустимого пролета выработанного пространства в 1,5-2,0 раза при отработке наиболее удароопасных прочных и средней прочности бокситовых руд. В то же время неучет действия касательных напряжений при применении скважинной разгрузки приводит к завышению эффективности профилактических мероприятий в 1,3-1,5 раза для мягких и средней прочности бокситовых руд.
-
В условиях отработки удароопасных рудных залежей переменной мощности и прочности с формированием в выработанном пространстве барьерных целиков, оптимальными по несущей способности и исключению в них горных ударов являются барьерные целики с соотношением ширины к высоте 3,0-3,5.
-
Безопасное применение камерно-столбовой системы разработки в удароопасных условиях обеспечивается заблаговременной скважин-
ной обработкой удароопасных зон, выявление которых достигается на основе перспективного прогнозирования напряженного и удароопасно-го состояния с применением автоматизированного программного комплекса «PRESS 3D URAL».
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректностью применяемого математического аппарата; систематическим использованием шахтных данных за проявлением горного давления; решением тестовых примеров; сопоставимостью результатов исследований с данными натурных наблюдений.
Практическая значимость работы:
-
Разработан аналитический метод определения допустимой ширины податливых междукамерных столбчатых и ленточных целиков.
-
Разработан аналитический метод определения допустимых размеров выработанного пространства между несущими опорами (краевыми частями рудной залежи, барьерными целиками).
-
Разработан аналитический метод определения допустимой ширины несущих барьерных целиков.
-
Разработан программный комплекс «PRESS 3D URAL» для прогнозирования напряженного состояния и удароопасности рудной залежи и целиков различного назначения, параметров заблаговременной скважинной разгрузки при применении систем разработки в сложных горно-геологических, горнотехнических и удароопасных условиях.
-
Разработано практическое руководство по выбору параметров конструктивных элементов КССР на больших глубинах в удароопасных условиях разработки Североуральских бокситовых месторождений.
Реализация результатов работы.
Результаты научных исследований доведены до практического внедрения и используются на рудниках и шахтах ОАО «Севуралбок-ситруда», ОАО «ГМК Норильский Никель», ОАО «Апатит» и др. (подтверждается актами и справками о внедрении).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научно-технических советах Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (Санкт-Петербург, 2010-2015 г.), Научного центра геомеханики и проблем горного производства Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (Санкт-Петербург, 2010-2015 г.), ОАО «Севуралбокситруда» (г. Североуральск, 2003-2011 г.), I-VI международных конференциях «Инновационные направления в проектировании горнодобывающих предприятий» (Санкт-Петербург, 2010-2015 г.), международных науч-
но-технических конференциях «Инновации в системах контроля, управления, защит и мониторинга безопасности в горной промышленности» (г. Катовице, Польша, 2012-2013 г.), научно-практической конференции «Геодинамика и современные технологии отработки ударо-опасных месторождений» (г. Норильск, 2012 г.), VI и X международных научно-практических конференциях «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2008-2012 г.), конференции «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2011 г.), международной научно-технической конференции "Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений" (г. Донецк, Украина, 2011 г.), V-VII международных научно-практических конференциях "Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование" (г. Пермь, 2009-2011 г.), международной конференции "Современные проблемы геомеханики, горного производства и недропользования (Санкт-Петербург, 2009 г.), XXI Всемирном горном конгрессе (г. Краков, Польша, 2008 г.), «Конференциях победителей XIV-XV конкурсов научно-технических разработок среди молодежи предприятий и организаций топливно-энергетического комплекса» (Москва, 2006-2007 г.). Личный вклад автора состоит:
в анализе и обобщении существующих методов оценки напряженного и удароопасного состояния краевой части рудной залежи и целиков различного назначения;
в выявлении основных горно-геологических и горнотехнических факторов, осложняющих ведение горных работ камерно-столбовой системой разработки на современных глубинах;
в разработке и научном обосновании геомеханического обеспечения (инженерной методики расчета допустимых размеров выработанных пространств, ширины барьерных, междукамерных столбчатых и ленточных целиков) и практических рекомендаций по применению КССР в условиях больших глубин и удароопасности Североуральских бокситовых месторождений;
в совершенствовании численного метода расчета напряжений в конструктивных элементах камерно-столбовой системы разработки с совокупным учетом широкого диапазона горно-геологических и горнотехнических факторов: произвольных в размере и по конфигурации выработанного пространства и конструктивных элементов, произвольного месторасположения конструктивных элементов относительно границ выработанного пространства, различных физико-механических свойств вмещающих пород и руды, мощности рудной залежи, параметров тектонических нарушений и толщины разгрузочной щели;
- в разработке методического обеспечения и программного комплекса «PRESS 3D URAL» для прогнозирования напряженного состояния, выявления удароопасных зон и определения параметров заблаговременной разгрузки рудной залежи скважинами большого диаметра.
Публикации. Основные результаты исследований представлены в 40 опубликованных работах, из них 16 - в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России. Получено 1 свидетельство РФ о государственной регистрации программы ЭВМ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 505 наименования и 12 приложений, изложена в 2-х томах на 562 страницах машинописного текста, содержит 338 рисунков и 62 таблицы.
Автор выражает искреннюю признательность научному консультанту А.Н. Шабарову, сотрудникам Научного центра геомеханики и проблем горного производства и кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный», ОАО «ВНИМИ», специалистам горнодобывающих предприятий ОАО «Севуралбокситруда», ОАО «ГМК «Норильский Никель», ОАО «Апатит», ОАО «Воркутауголь» и др. за помощь в проведении исследований, полезные советы и конструктивные замечания, высказанные при обсуждении результатов работы.
Факторы проявления удароопасности и технологические решения по повышению безопасности применения КССР
Для обеспечения стабильности геополитической и экономической безопасности России реализуется единая государственная политика в решении проблемы динамичного развития горно-металлургической промышленности, основным направлением которой является решение проблем по развитию сырьевой базы [384, 437].
Концептуальные и методологические подходы к поиску стратегических путей решения подобных проблем горного производства в разные годы разрабатывались ведущими академическими и отраслевыми научно-исследовательскими институтами под руководством известных ученых: акад. К.Н. Трубецкого [392, 393], акад. Н.Н. Мельникова [194, 198], проф. Д.Р. Каплу-нова [128, 130], проф. В.Н. Опарина [237], проф. А.Г. Протосени [283], проф. А.А. Еременко [86], проф. Картозии Б.А. [136], проф. И.М. Петухова [258], проф. Ю.П. Галченко [41], проф. М.А. Иофиса [122] и др., свидетельствующих о необходимости проведения комплексных научно-исследовательских работ по развитию способов повышения промышленной безопасности и экономической эффективности разработки месторождений полезных ископаемых в связи с ухудшением горно-геологических, горно-технических, геомеханических и геодинамических условий на больших глубинах.
Региональным проблемам и перспективам развития горно-добывающего комплекса посвящены многочисленные работы под руководством известных ученых Северо-Западного региона: проф. Н.Н. Мельникова, проф. А.А. Козырева и др. [143, 147, 153, 327], Уральского региона: проф. Д.Р. Каплунова [129], В.В. Радько [287], проф. А.Д. Сашурина [345, 347, 348, 389], Сибирского региона: проф. М.В. Курлени [183], проф. В.Н. Опарина [231, 233-236], проф. А.А. Еременко [78-80, 84], проф. Б.В. Шреппа [434], проф. П.В. Егорова [69], проф. A.M. Фрейдина [411], д.т.н. В.А. Еременко и др. [83, 90, 91, 93-96], Дальневосточного региона: проф. И.Ю. Рас-сказова и др. [306-308, 314, 315, 320, 321], отражающие результаты многолетних научных исследований, выполненных на рудниках, разрабатывающих удароопасные месторождения в различных горно-геологических, горно-технических и геомеханических условиях.
Обзор публикаций авторов показал, что, несмотря на существенные различия условий разработки месторождений, для обеспечения их геодинамической безопасности, как правило используется схожий комплекс прогнозно-профилактических мероприятий, регламентируемых [113]. Вместе с тем, ввиду специфичности условий разработки месторождений, критерии удароопасности для каждого месторождения (группы месторождений) устанавливаются раздельно [113]. Авторы также обращают внимание на необходимость развития методов прогноза и контроля напряженно-деформированного состояния и удароопасности массива горных пород, а также расчетных методов для определения безопасных параметров конструктивных элементов систем разработки месторождений хрупких удароопасных руд в условиях высоких концентраций природного и техногенного полей напряжений, обусловленных ростом глубины горных работ, размеров выработанных пространств и тектонической нарушенности месторождений.
Особую актуальность эта проблема приобрела на шахтах СУБРа [113, 396, 401] разрабатывающих опасные по горным ударам Североуральские бокситовые месторождения КССР, относящейся к наиболее эффективным системам подземной разработки пологопадающих месторождений [4, 49, 53, 112, 131, 383, 397, 432] и достигающей 90 % в общей добыче руды на шахтах СУБРа. [269, 401].
При этом основной особенностью КССР является поддержание очистного пространства целиками, препятствующими обрушению покрывающей толщи. В горной практике встречаются, как правило, две основные схемы расположения целиков: с неограниченной периодической последовательностью междукамерных целиков и с периодической последовательностью междукамерных и барьерных (панельных) целиков. Безопасные условия труда и безаварийность работ при применении КССР обеспечивается устойчивостью обнажений кровли очистных камер и междукамерных целиков, зависящей от правильности определения их параметров (пролетов кровли камер, размеров целиков). Особенно большое значение параметры КССР приобретают при разработке месторождений полезных ископаемых с покидаемыми навсегда опорными междукамерными целиками (столбами). Это связано с тем, что при оставлении в выработанном пространстве междукамерных целиков с большими, чем необходимо размерами, появляются дополнительные потери полезного ископаемого. Но если размеры междукамерных целиков окажутся недостаточными для поддержания кровли покрывающих пород, то последствия в результате их разрушения приобретают аварийный или катастрофический характер с разрушением элементов горных конструкций и травмированием горнорабочих, что зачастую приводит к серьезным социально-экономическим проблемам.
Применение КССР в удароопасных условиях требует дополнительного учета специфических особенностей, связанных с проявлением горного давления в динамической форме (горных ударов). При этом рассмотрение практического опыта применения КССР на шахтах СУБРа показало, что в условиях больших глубин и динамического проявления горного давления способы управления горным давлением, эффективные на верхних горизонтах, не удовлетворяют безопасности производства работ на современных глубинах, что обусловлено изменением характера геодинамических процессов при отработке рудной залежи. По мере увеличения глубины отработки наблюдался рост интенсивности геодинамических процессов и количества случаев разрушения целиков и кровли очистных камер. При достижении горными работами глубины 650-700 м интенсивность проявления горных ударов резко возросла (рисунок 1.1.1) [137, 138], а разрушения горных конструкций стали носить массовый и непредсказуемый характер, что потребовало разработки и реализации многолетней программы НИР по оценке соответствия применяемых параметров конструктивных элементов КССР горно-геологическим, горнотехническим и геодинамическим условиям Североуральских бокситовых месторождений и разработки рекомендаций по безопасному применению КССР в удароопасных условиях на больших глубинах.
Определение допустимых размеров выработанных пространств
Запредельное деформирование краевой части рудной залежи характеризуется наличием в ней менее прочных, слабых, рыхлых разновидностей боксита, например красного маркого или красного немаркого. Распределение опорного давления в краевой части рудной залежи до формирования опорных целиков схематически представлено на рисунке 2.1.2, а. Практический опыт и результаты расчетов показывают, что расстояние до максимума опорного давления составляет, как правило, 10 -12 м (красный маркий боксит) и 6 -8 м (красный немаркий боксит). Величины опорного давления зачастую составляют 1,5 -г-2 }Н . Обычно, если краевая часть рудной залежи представлена слабыми разновидностями боксита, то имеет место естественная податливость (обжатие) материала краевой части. Некоторый участок 3 -г- 5 м краевой части рудной залежи от обнажения вглубь массива находится в запредельном состоянии, что соответствует остаточной прочности боксита. При оформлении целиков в таких условиях, краевая часть рудной залежи находится в неудароопасном состоянии, поэтому оформление целиков в панели осуществляется без применения специальных профилактических мер, ориентированных на разгрузку. Распределение опорного давления в краевой части рудной залежи и опорных целиках после их оформления схематически представлено на рисунке 2.1.2,
Как видно из схемы (рисунок 2.1.2, б), целик находится на остаточной прочности и опорное давление составляет, как правило, 2-ьЗ МПа. Следовательно, такие целики будут обладать незначительной несущей способностью. Таким образом, расчет параметров опорных целиков, представленных слабыми разновидностями руд, можно осуществлять по остаточным напряжениям.
Прогнозная оценка устойчивости междукамерных целиков в выработанном пространстве при применении КССР осуществлялась с применением компьютерной программы «PRESS 3D» [360, 374, 375], позволяющей решать пространственные задачи теории упругости с учетом естественной и техногенной податливости рудной залежи и целиков. При численных экспериментах расчет проводился для различных пролетов выработанного пространства, количестве оформленных рядов междукамерных целиков, поперечных сечений целиков с/ц j = 3,0 м; с/ц2=6,0м; с/ц3= 10,0м и мощностей (высот) целиков тц1=0,5м; шц2=2,0м; ягц3=4,0м; ягц4 = 6,0м; шц5= 10,0 м, соотношений модулей упругости целиков и вмещающих пород {EJEA=,2 , (Еп/ЕЛ=0 5 (Яц/ДД О; (ц/п)4=10 - Пролет кровли очистных камер принимался в соответствии с шахтными данными, равным в среднем 1к =5,0-5,2 м . Исследование напряженного состояния столбчатых целиков размерами 3x3 м при применении камерно-столбовой системы разработки. Для условий отработки блока с оставлением междукамерных целиков квадратного или близкого к нему поперечного сечения при с/ц = 3,0 м рассматривалось 11 расчетных схем, соответствующих количеству рядов междукамерных целиков. Пролеты выработанного пространства: а1= 14,2 м, а2 = 22,8 м; а3 = 31,3 м; а4= 39,9 м; а5= 48,5 м; а6= 57,1м; а1= 65,7 м; а8= 74,2 м; а9= 82,8 м; а10 = 91,4 м; ап=100м. Принципиальные схемы отработки блока приведены на рисунке 2.1.3.
Влияние глубины ведения горных работ на напряженное состояние целиков исследовалось при изменении глубины в диапазоне от Нц =200,0 до Нц =1400,0 м. Результаты расчетов средних значений нормальных полных напряжений, действующих в центральном МКЦ очистного блока при высоте тц =6,0 м, размерах выработанного пространства ац1 = 14,2 м (1 ряд целиков), ац5 =48,5 м (5 рядов целиков), ацЛ1 =100,0 м (11 рядов целиков), представлены на рисунках 2.1.4-2.1.6.
Влияние глубины разработки на изменение величины с исследуется для основных разновидностей отрабатываемых бокситовых руд: красных марких, красных немарких и пестро-цветных. Анализ полученных результатов показывает, что на глубинах более 600 м междукамерные целики теряют несущую способность даже при незначительных размерах выработанного пространства. Данный вывод подтверждается многочисленными данными экспертных обследований состояния горных выработок и элементов горных конструкций, проведенных специалистами СУБРа. 70 60 50 40 30
Влияние глубины работ на величину напряжений в центральном МКЦ (с/ц = 3,0 м ) очистного блока при 11 рядах оформленных целиков (an = 100,0 м) Исследование напряженного состояния столбчатых целиков размерами 6x6 м при применении камерно-столбовой системы разработки. Для условий отработки блока с оставлением междукамерных целиков квадратного или близкого к нему поперечного сечения при с/ц = 6,0 м рассматривалось 8 расчетных схем, соответствующих количеству рядов междукамерных целиков. Пролеты выработанного пространства: aj=17,6M, а2=29,3м; а3=41,1м; а4 = 52,9 м; а5 = 64,7 м; а6 = 76,4 м; а7 = 88,2 м; а% = 100 м. Принципиальные схемы отработки блока приведены на рисунке 2.1.7.
Влияние глубины ведения горных работ на напряженное состояние целиков исследовалось при изменении глубины в диапазоне от Нц =200,0 до Нц =1400,0 м. Результаты расчетов средних значений нормальных полных напряжений, действующих в центральном МКЦ очистного блока при высоте МКЦ, равной тц = 6,0 м, размерах выработанного пространства ац1 =17,6 м (1 ряд целиков), ац4 =52,9 м (4 ряда целиков), ац8 =100,0 м (8 рядов целиков), представлены на рисунках 2.1.8-2.1.10.
Влияние глубины разработки на изменение величины с исследуется для основных разновидностей отрабатываемых бокситовых руд: красных марких, красных немарких и пестро-цветных. Анализ полученных результатов показывает, что увеличение ширины МКЦ в два раза приводит к существенному росту их грузонесущей способности. Вместе с тем МКЦ, представленные типичными разновидностями бокситовых руд (БКМ и БКНМ), при достижении глубины 700 м также теряют несущую способность при незначительных размерах выработанного пространства. При этом разрушение МКЦ, представленных менее прочными разновидностями бокситовых руд (БКМ и БКНМ), будет приводить к дополнительной пригрузке и разрушению МКЦ, представленных прочными разновидностями бокситовых руд (БП).
Методика определения допустимых параметров скважинной разгрузки
На больших площадях отработки при отсутствии безрудных зон или участков непромышленного оруденения в качестве дополнительных опор, ориентированных на поддержание выработанного пространства, помимо опорных целиков, используются барьерные целики. Как показывают результаты расчетов, приведенные на рисунках 2.4.7-2.4.8, разделение выработанного пространства на подпространства за счет оставления в выработанном пространстве барьерных целиков оказывает положительный эффект на снижение удароопасности в очистном блоке. При этом в рассматриваемых условиях параметры барьерных целиков должны определяться не только с учетом их несущей способности, но и обеспечивать отсутствие в них проявления горных ударов. С учетом вышеизложенного ниже приводится методика определения параметров барьерных целиков. Основная расчетная схема к определению параметров барьерных целиков представлена на рисунке 2.4.9.
Исходя из схемы нагружения барьерного целика, оставленного в выработанном пространстве (рисунок 2.4.9), полная нагрузка Ps на единицу его длины будет складываться из веса Ps , необрушенных пород, зависших над целиком в результате образования выработанных про странств ai и аг, и веса Ps породного столба, находящегося непосредственно над целиком. Тогда выражение для определения полной нагрузки Ps примет вид Р8=Р8/+Р8"- (2.4.8) Вес пород Ps в результате образования выработанных пространств ai и аг перераспределяется на барьерный целик и определяется по формуле PS =P1+P2, (2.4.9) где р - вес пород, приходящийся на барьерный целик со стороны верхнего выра ботанного пространства - ai, т; Р2 - вес пород, приходящийся на барьерный целик со стороны нижнего выра ботанного пространства - аг, т.
Результаты геодинамического районирования рудной залежи, отражающие изменение удароопасности в краевой части рудной залежи при оставлении в выработанном пространстве двух барьерных целиков с ростом глубины от 800 до 1400 м
При выборе коэффициента запаса к3 целесообразно пользоваться рекомендациями, представленными в справочном пособии [263]. Наибольшую опасность, с точки зрения ударо-опасности, представляют барьерные целики с предельными размерами (Ьц), находящимися в интервале [0,75Lnp; l,25Lnp]. Таким образом, безопасные размеры барьерного целика должны находиться вне рамок следующего неравенства:
Анализ данного неравенства показывает, что практический интерес будет представлять верхняя граница удароопасности и, следовательно, неравенство (2.4.38) можно упростить и привести к следующему виду:
Принимая отношение Ьц/Ln = 1,25 и подставляя его в зависимость (2.4.30), получим значение допустимого с точки зрения безопасности и несущей способности коэффициента запаса барьерного целика, равного к3= 1,5. Вопросы о необходимости формирования барьерного целика, месте его расположения, порядка оформления и необходимости применения скважин-ной разгрузки решаются для каждого конкретного очистного блока.
Для удобства практического использования методических положений в приложении Ж приведены данные по допустимым размерам барьерных целиков для случаев, когда рудная залежь представлена типичными разновидностями бокситовых руд.
При апробации методики, главным образом были исследованы закономерности изменения ширины барьерного целика от глубины разработки, размеров смежных с ним выработанных пространств, мощности и прочности рудной залежи (рисунок 2.4.10). зо
Как видно из графиков, приведенных на рисунке 2АЛО, основное влияние на ширину барьерного целика, главным образом, оказывают мощность и прочность рудной залежи в месте расположения целика.
На основании результатов многовариантного исследования была получена количественная зависимость коэффициента формы барьерного целика от его прочности, позволяющая оперативно определять допустимую ширину барьерного целика в конкретных условиях (рисунок 2.4.11).
Таким образом, с учетом вышеизложенного, оптимальным по несущей способности и исключению в нем горных ударов на глубинах, превышающих 800 м, будет являться барьерный целик с коэффициентом формы 3,0-3,5.
Следует отметить, что основные методические положения и полученные результаты нашли отражение в публикациях [358, 366, 373].
Инженерный метод определения допустимых пролетов кровли очистных камер с учетом оставления в выработанном пространстве барьерных целиков. В ходе отработки месторождений было установлено, что в условиях больших глубин и динамического проявления горного давления эта система без применения специальных мер имеет повышенную опасность. Как отмечалось выше, для снижения уровня геодинамической опасности в очистных блоках был осуществлен переход горных работ на глубоких горизонтах на технологические схемы камерно-столбовой системы разработки с оставлением в выработанном пространстве системы барьерных целиков (рисунок 2.5.1).
Предполагается, что изгиб кровли вплоть до потери несущей способности протекает упруго и вследствие этого в первом приближении изгиб кровли между соседними междукамерными целиками будем рассматривать как изгиб упругой балки под действием некоторой распределенной нагрузки, которую создают подработанные породы в пределах свода полных сдвижений, образующегося между барьерными целиками (краевыми частями рудной залежи).
Прогнозирование напряженно-деформированного состояния и разрушения массива горных пород в зонах влияния тектонических нарушений
Очистной блок 10-, гор. -680 м, шахта «Кальинская». Характеристика участка: угол падения залежи 27-43; средняя мощность залежи 3,8 м; залежь представлена следующими разновидностями бокситовых руд: красными маркими, красными немаркими, яшмовидными и пе-строцветными бокситами; наличие тектонических нарушений: с юга АТН № 28 с А=30-50 м с изменяющимися параметрами по простиранию и падению; размер опытного участка: по падению 100 м, по простиранию 50 м; расстояние между основными опорами 80 м; глубина работ 800-900 м.
Отработка запасов блока производилась с применением следующих опытных параметров: - в пределах отметок -582,4 -г- -596,4 м с увеличением ширины сторон столбчатых рудных междукамерных целиков на 0,5 м против расчетных по [329] (расчетный размер - 3 м) при ширине очистных камер 4,5-5 м; - в пределах отметок -610,9 -г- -635,4 м с оформлением ленточных рудных междукамерных целиков шириной 3,5 м, рассчитанным в соответствии с [329] при ширине очистных камер 5 м; - в пределах отметок -643 -г- -660 м с оформлением столбчатых рудных междукамерных целиков с различной шириной сторон: по простиранию 3 м, рассчитанной в соответствии с [329], по восстанию 4 м, что превышает в 1,3 раза, определяемые по [329], при ширине очистных камер 5 м.
За время испытаний в районе блока сейсмостанцией зарегистрировано 40 сейсмоявлений с энергией от 1,7x10 до 8,2x10 Дж без разрушений действующих выработок от проявления горного давления в динамической форме. Для предупреждения горных ударов проводилась опережающая разгрузка участка массива в пределах отм. -591,2 -г- -596,4 м по площади скважинами диаметром 110 мм. Разгрузка шва активного тектонического нарушения с А = 30-50 м проводилась посредством камуфлетного взрывания скважин.
При проведении промышленных испытаний параметров КССР в блоке было добыто 42,3 тыс. т руды. Фактические потери руды по участку с опытными параметрами составили 21,2 % (малый процент потерь по блоку связан с расположением опорных целиков на безрудных участках).
Таким образом, принятые параметры КССР при отработке опытного участка позволили обеспечить безопасное проведение горных работ в удароопасных условиях. Кровля очистных камер и опорные целики во время отработки участка находились в удовлетворительном со 254 стоянии и обладали достаточной несущей способностью, что позволило производить выемку запасов камер без дополнительных затрат на обеспечение устойчивости обнажений.
Очистной блок 13-, гор. -680 м, шахта «Кальинская». Характеристика участка: угол падения залежи 19-24; средняя мощность залежи 5,0-5,5 м; залежь представлена следующими разновидностями бокситовых руд: красными маркими, красными немаркими, яшмовидными и пестроцветными бокситами; наличие серии мелкоамплитудных нарушений с А=0,1-0,4 м меридионального и субширотного направления; размер опытного участка в отм. -596,6 -г- -602,0 м составил по падению 23 м, по простиранию 30,6 м, в отм. -602,0 -г- -609,1 м - по падению 16 м, по простиранию 48,5 м; расстояние между основными опорами 100 м; глубина работ, 800-900 м.
Отработка запасов блока производилась с применением следующих опытных параметров: - в пределах отметок -596,6 -г- -602,0 м оформлялись ленточные рудные междукамерные целики длиной по простиранию 22-27 м, отличающиеся шириной по восстанию от 2,5 до 3,1 м, что было меньше расчетных величин (от 3 до 4,1 м), определяемых в соответствии с [329]; - в пределах отметок -602,0 -г- -609,1 м отработка запасов блока производилась с применением следующих размеров столбчатых рудных междукамерных целиков: по восстанию шириной 3,2 м, определяемой в соответствии с [329], а по простиранию шириной 5 м, превышающей в 1,5 раза расчетные по [329] при средней ширине очистной камеры 4 м.
За время испытаний было зарегистрировано 23 сейсмических события с энергией от 1,3x10 до 8,3x10 Дж без разрушений действующих выработок от проявления горного давления в динамической форме. Меры предотвращения горных ударов заключались в опережающей разгрузке краевой части безрудных зон и участков с малой мощностью по площади скважинами диаметром 110 мм.
При проведении промышленных испытаний опытных параметров КССР в блоке на отм. -596,6 -г- -602,0 м было добыто 6,5 тыс. т руды, на отм. -602 -г- -609,1 м - 9,27 тыс. т боксита. Фактические потери руды по участку с опытными параметрами составили: с отм. -596,6 -г--602 м - 36%, отм. -602 + -609,1 м - 23,8%.
Таким образом, принятые параметры КССР при отработке опытного участка позволили обеспечить безопасное проведение горных работ в удароопасных условиях. Кровля очистных камер и рудные опорные целики во время отработки участка находились в удовлетворительном состоянии. Целики обладали достаточной несущей способностью и позволили производить выемку запасов камер без дополнительных затрат на обеспечение устойчивости обнажений.
Очистной блок 9--10—, гор. -680 м, шахта «Кальинская». Характеристика участка: угол падения залежи 27-32; средняя мощность залежи 4,7 м; залежь представлена следующими разновидностями бокситовых руд: красными маркими, красными немаркими, яшмовидными и пестроцветными бокситами; размер опытного участка: по падению 30 м, по простиранию 94 м; расстояние между основными опорами 120 м; глубина работ 800-900 м. До применения опытных параметров на КССР были зафиксированы горные удары.
Отработка запасов блока производилась с применением следующих опытных параметров: с уменьшением пролета очистных камер до 4 м, ограничением выемочной мощности до 6 м и с увеличением ширины сторон столбчатых рудных междукамерных целиков до 5 м против расчетных по [329], равных 4,2 м.
За время испытаний в районе блока сейсмостанцией зарегистрировано 10 сейсмических событий с энергией от 2,49x10 до 3,34x10 Дж без разрушений действующих выработок и междукамерных рудных целиков. Меры предотвращения горных ударов заключались в опережающей разгрузке массива по площади скважинами диаметром 110 мм.
При измененных параметрах КССР в блоке было добыто 29,5 тыс. т руды. Фактические потери руды по участку с опытными параметрами составили 28,4 %.
Таким образом, принятые параметры КССР при отработке опытного участка позволили обеспечить безопасное проведение горных работ в удароопасных условиях. Кровля очистных камер и рудные междукамерные целики во время отработки участка деформировались по мере увеличения площади отработанного пространства, но обладали достаточной несущей способностью и позволили производить выемку запасов камер без дополнительных затрат на обеспечение устойчивости обнажений.
Очистной блок 9—, гор. -680 м, шахта «Кальинская». Характеристика участка: угол падения залежи 24-29; средняя мощность залежи 5,5 м; залежь представлена красными маркими, красными немаркими и пестроцветными разновидностями бокситовых руд; размер опытного участка: по падению 50 м, по простиранию 85 м; расстояние между основными опорами 100 м; глубина работ 800-900 м.
Отработка запасов блока производилась с применением следующих опытных параметров: с увеличением ширины сторон столбчатых рудных междукамерных целиков на 0,5 м против расчетных по [329] при ширине очистных камер 5 м. До применения опытных параметров на КССР зафиксировано проявление горного давления в динамической форме.