Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧ 11
ИССЛЕДОВАНИЙ.
1.1. Особенности совместной отработки стыковочных зон открыто- 11
подземным способом.
Анализ отечественного и зарубежного опыта совместной отработ- 11 ки месторождений
Классификация совместных систем разработки. 13
Основные положения по безопасному ведению горных работ при 16 комбинированной разработке рудных и нерудных месторождений
1.2. Состояние теории и практики по управлению дробящим и сейсмическим 20
действием массовых взрывов при разработке месторождений полезных
ископаемых
Воздействие массовых взрывов на устойчивость горных выработок 20
Методы снижения сейсмоопасности взрывов при скважинной от- 26 бойке
Автоматизированные системы контроля состояния массива пород при 30 отработке удароопасных месторождений
Геомеханические и горнотехнические особенности отработки Хибин- 33 ских апатитовых месторождений
Геологические условия 34
Геомеханические условия 34
Структура рудно-сырьевой базы и перспективы ее развития. 36
Системы разработки 40
Особенности отработки Хибинских апатитовых месторождений 43 встречными очистными фронтами в удароопасных условиях
1.5. Цель и задачи исследований 48
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ 51
НАПРЯЖЕННОГО С0СТ0ЯНИЯ МАССИВА ПОРОД ПРИ РАЗЛИЧНЫХ
ВАРИАНТАХ ОТРАБОТКИ СТЫКОВОЧНЫХ ЗОН.
2.1. Исследование закономерностей изменения напряженного состояния 52
массива пород при стыковке подземных очистных работ с карьером вы
ше его дна
Закономерности изменения напряженного состояния при ориенти- 52 ровке максимальных напряжений в нетронутом массиве вкрест простирания стыковочной зоны
Закономерности изменения напряженного состояния массива по- 57 род на отрабатываемом горизонте при ориентировке максимальных напряжений нетронутого массива по простиранию стыковочной
зоны.
2.2. Исследование закономерностей изменения напряженного состояния 60
массива пород при стыковке подземных омистных работ с карьером на уровне его дна
Исходное напряженно-деформированное состояния массива пород 61 стыковочной зоны
Закономерности напряженно-деформированного состояния масси- 68 за покрывающих пород
Закономерности изменения напряженного состояния массива по- 74 род на горизонте при опережающей отработке по висячему боку
2.3. Выводы по главе 2. 77
3. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДРОБЯЩЕГО И СЕЙСМИЧЕСКОГО 80
ДЕЙСТВИЯ КАРЬЕРНЫХ И ПОДЗЕМНЫХ МАССОВЫХ ВЗРЫВОВ ПРИ
ОТРАБОТКЕ СТЫКОВОЧНЫХ ЗОН
Оценка разрушающего действия карьерных массовых взрывов вглубь 80 массива
Оценка устойчивости горных выработок в массиве стыковочной зоны 85 при производстве карьерных взрывов
Оценка состояния массива горных пород в стыковочной зоне до и после 90 производства массового взрыва
Оценка сейсмического действия массового взрыва. 98
Выводы по главе 3 100
4. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ 102
СОСТОЯНИЯ МАССИВА ПОРОД В ЗОНЕ СТЫКОВКИ РУДНИКОВ
РАСВУМЧОРРСКИЙ И ЦЕНТРАЛЬНЫЙ
Характеристика объекта контроля. Назначение системы АСКСМ-Р 102
Описание системы АСКСМ-Р 106
Подсистема регистрации сильных сейсмических событий. 110
Подсистема регистрации деформаций и наклонов. Подсистема свето- 112 дальномерных наблюдений.
Подсистема локальных измерений 115
Подсистема единой службы времени 118
Программное и методическое обеспечение подсистем. 119
Выводы по главе 4 121
5. РАЗРАБОТКА РАЗЛИЧНЫХ ВАРИАНТОВ ОТРАБОТКИ 122
СТЫКОВОЧНЫХ ЗОН ПОДЗЕМНЫМ И ОТКРЫТЫМ СПОСОБАМИ
5.1. Рекомендации по отработке стыковочной зоны гор.+252м Кукисвум- 122
чоррского крыла Кировского рудника с Саамским карьером.
Оценка возможных проявлений горного давления в выработках. 122
Мероприятия по повышению устойчивости выработок. 125
Порядок отработки блока 19-24 и рекомендации по сейсмобезо- 125 пасному производству массовых взрывов
5.2. Рекомендации по отработке стыковочной зоны гор.+320м Юкспорского 128
крыла Кировского рудника с Саамским карьером.
Прогнозная оценка устойчивости горных выработок бл. 1/2 128
Мероприятия по обеспечению устойчивости горных выработок. 130
Рациональный порядок отработки стыковочной зоны. 131
5.3. Рекомендации по отработке стыковочной зоны Расвумчоррского рудника 132
с карьером Центрального рудника.
Прогнозная оценка устойчивости горных выработок 132
Мероприятия по повышению устойчивости выработок 136
Рациональный порядок отработки стыковочной зоны 138
Разработка мероприятий по отбойке подконсольных запасов сты- 141 ковочной зоны
5.4. Проверка результатов исследований. 146
Отработка стыковочных зон Кировского рудника 146
Результаты отбойки первой очереди стыковочной зоны Расвум- 146 чоррского и Центрального рудников
Результаты эксплуатации сейсмической подсистемы АСКСМ-Р. 149
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 151
ЛИТЕРАТУРА 153
ПРИЛОЖЕНИЯ 166
Характеристики разработанных в России и за рубежом систем автома- 166 тизированного контроля состояния массива
Характеристики созданных на рудниках Кольского полуострова систем 172 автоматизированного контроля состояния массива
Акт о внедрении результатов диссертационной работы 175
Введение к работе
Современный период освоения недр характеризуется тем, что на большинстве месторождений открытые работы приближаются к своим предельным контурам, либо подземные горные работы подошли вплотную к бортам карьеров. Проблема развития технологий разработки стыковочных зон между рудниками в условиях крупномасштабного освоения рудных месторождений приобретает всё большее научное и практическое значение и входит в число приоритетных направлений исследований по освоению и сохранению недр. Исследования по данной проблеме особенно актуальны для северных регионов, где специфика природно-климатических условий требует существенной корректировки известных методических подходов к выбору основных проектных решений.
Комплексное решение проблемы создания эффективных технологий отработки запасов стыковочных зон связано с разработкой общей концепции развития подземной выемки в прикарьерной зоне, с эффективной отработкой переходной зоны между открытыми и подземными работами, с разработкой технических решений, обеспечивающих интенсивное наращивание производительности подземных работ после завершения добычи руды в карьере.
Несмотря на значительный объем исследований и накопленный практический опыт в решении данного вопроса на сегодня не существует единой обобщающей работы в виде методических основ или технологических норм проектирования. Причиной тому служит многообразие геологических, горнотехнических, географических, климатических и экономических условий, свойственных каждому конкретному месторождению.
Одной из важнейших проблем проектирования перехода к подземной разработке подкарьерных запасов является проблема поддержания стабильного уровня производительности системы «карьер-рудник» в переходный период. Так как на этой стадии отработки месторождения производительность карьера падает из-за постепенного сокращения рабочих площадей, необходимым условием стабилизации является ввод подземного рудника в эксплуатацию со значительным опережением по отношению к сроку завершения работ на карьере. Это условие делает необходимым на определен-
ном временном интервале совмещать открытые и подземные работы во времени и пространстве.
Характерной особенностью методологии проектирования отработки месторождений открыто-подземным способом является необходимость учета совместного геомеханического влияния открытого и подземного выработанного пространства. При комбинированном способе разработки резко возрастает число параметров геосистемы «карьер-рудник». Таким образом, для геомеханического обеспечения прогноза состояния и характера реакции массива при комбинированной разработке необходимо проведение исследований по выявлению основных горно-геологических факторов, определяющих поведение массива. При этом нужно иметь в виду, что проектирование отработки новых участков месторождения осуществляется, как правило, в условиях неполноты информации о горно-геологических условиях. Следовательно, необходима также оценка достоверности прогноза горно-геологических условий на основе статистической оценки информации, полученной на стадии геологической разведки.
В целом анализ основных направлений развития научных основ совместной разработки показал, что в условиях крупномасштабного производства для наиболее полного использования преимуществ одновременного сочетания открытой и подземной разработки в переходной зоне требуется проведение комплексных исследований в области изыскания рациональных схем совместного вскрытия запасов, корректировки контуров открытой и подземной разработки в зоне их стыковки, необходима разработка технологических схем, позволяющих избежать резкого снижения производительности горного предприятия при переходе к подземной разработке, обоснования технологических решений, обеспечивающих устойчивую работу при подземной разработке приконтурной подкарьерной зоны в условиях длительного воздействия низких отрицательных температур.
В связи с этим, цель диссертационной работы состоит в геомеханическом обосновании и разработке технологических схем и порядка отработки, а также систем комплексного контроля состояния массива пород при отработке стыковочных зон между подземными и открытыми работами в удароопасных условиях, обеспечивающих высокую эффективность и безопасность отработки.
7 Идея диссертационной работы заключается в обеспечении устойчивости элементов подземной и открытой систем разработки в течение всего необходимого периода ведения работ на основе информации об изменении состоянии массива пород при применении различных технологических схем отработки. Задачи исследований:
Анализ геомеханических и горнотехнических факторов, определяющих условия отработки стыковочных зон подземным и открытым способами.
Изучение закономерностей изменения напряженного состояния массива пород при различных вариантах отработки стыковочных зон.
Оценка разрушающего и сейсмического действия карьерных и подземных массовых взрывов при отработке стыковочных зон.
Разработка требований к системам комплексного контроля массива пород при отработке стыковочных зон подземным и открытым способами.
Разработка эффективных вариантов отработки стыковочных зон подземным и открытым способами.
Методы исследования: обобщение и анализ практики совместной разработки месторождений, аналитические методы механики сплошной среды, моделирование численными методами, преимущественно в объемной постановке, натурные измерения и наблюдения, методы геостатистики.
Научная новизна работы заключается
в установлении закономерностей изменения напряженного состояния массива пород при различных вариантах отработки стыковочных зон и определении зон влияния встречных очистных пространств в условиях действия гравитационно-тектонических полей напряжений;
в установлении зон разрушения и разуплотнения массива в стыковочных зонах от карьерных и подземных массовых взрывов и обосновании местоположения комплекса основных горных выработок;
в обосновании способов обеспечения устойчивости элементов систем разработки за счет применения рациональных схем отработки стыковочных зон;
в обосновании и разработке системы комплексного контроля массива пород при отработке стыковочных зон.
Научные положения, выносимые на защиту:
Впервые предложен и обоснован комбинированный вариант отработки стыковочных зон с использованием систем с этажным и подэтажным обрушением. Показано, что при отработке в удароопасных условиях стыковочных зон и блоков-целиков сбойка очистных пространств должна осуществляться в зонах наименьших концентраций напряжений, т.е. со смещением к лежачему боку рудной залежи под обрушенные налегающие породы. Сбойка по висячему боку целесообразна только при создании защитных зон, заглубляемых ниже основного рабочего горизонта.
Повышение устойчивости горных выработок в стыковочной зоне достигается за счет их расположения за границами зон разрушения массива от массовых взрывов в
карьере, определяемых зависимостью вида R - 346 $q/VJ' , где q - вес ВВ в стулене замедления, кг; V - допустимая скорость смещения для трещиноватых массивов.
3. Мониторинг массивов пород в зонах стыковки подземных и открытых горных
работ должен осуществляться комплексом подсистем контроля, включающим дефор
мационные и сейсмические методы и обеспечивающим прогноз опасных состояний в
пространственно-временных окнах со следующими соотношениями: Хрс/Хоо, Хзкmii/X0о
< 1, Хзктах > Хгм„ ^ ЗХ00, где Xзктіі1, Хзктах - минимальныс и максималлные еространст
венные (характерный размер) и временные (время жизни, прогнозный период) окна
для достоверных зон контроля подсистем, Хрс - разрешающая способность метода,
X - геомеханическое пространство объекта Х00 - опасная геомеханическая зона
(стыковочная зона, блок-целик, другой объект).
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обоснована:
данными практики отработки стыковочных блоков-целиков на рудниках ОАО"Апатит" в условиях действия высоких тектонических напряжений;
совокупностью натурных наблюдений и исследований при отработке стыковочных зон на ОАО"Апатит" с использованием апробированных методов и средств контроля состояния массива;
соответствием полученных натурных результатов с результатами аналитических расчетов и данными моделирования и с аналогичными результатами других исследователей в сходных геомеханических условиях;
- положительными результатами внедрения рациональных способов управле
ния горным давлением при отработке стыковочных зон на рудниках ОАО"Апатит".
Практическая ценность работы состоит в том, что
разработанные рекомендации по обоснованию рациональной последовательности отработки стыковочных зон в различных геомеханических и горно-технических условиях позволяют обеспечить безопасность работ, необходимую устойчивость конструктивных элементов систем разработки и снизить непроизводительные затраты на восстановительные ремонтные работы;
результаты работы имеют общее значение и могут быть также использованы при отработке стыковочных зон в массивах пород с аналогичными геомеханическими условиями тектонической напряженности и удароопасности пород.
Реализация работы в промышленности Разработанные рекомендации внедрены:
в технический проект отработки стыковочного блока 19/24 гор.+252м Кукис-вумчоррской части Кировского рудника;
в технический проект отработки стыковочного блока 1/2 гор,+320-м Юкспор-ской части Кировского рудника;
в технический проект отработки стыковочного блока 1/2п гор.+600м и 2/5п гор.+530м Расвумчоррского рудника;
проект автоматизированной подсистемы контроля состояния массива зоны стыковки Расвумчоррского и Центрального рудников АСКСМ-Р сейсмостанции ОАО «Апатит»
Рекомендации частично реализованы при отработке блока 19/24 гор.+252м Ку-кисвумчоррской части Кировского рудника и блока 1/2п гор.+600м Расвумчоррского рудника.
Научные разработки и положения диссертации использованы при составлении следующих нормативно-методических документов:
1. Инструкция по креплению горных выработок на рудниках производственного объединения "Апатит". Изд. КНЦ РАН, Апатиты-Кировск, 1994.
Указания по управлению обрушением покрывающих пород, охране сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на рудниках открытого акционерного общества «Апатит» Изд. КНЦ РАН, Апатиты, 2002.
Указания по безопасному ведению горных работ на Хибинских апатито - нефелиновых месторождениях, склонных к горным ударам. Изд. КНЦ РАН, Апатиты, 2002.
Апробация работы:
Основные положения диссертации докладывались на технических советах ОАО "Апатит" в 1990-2002гг.; на Международном совещании по комплексной разработке рудных месторождений (Мельниковские чтения) (Апатиты, 1995г.); на Международной научно-технической конференции "Комбинированная геотехнология: проектирование и геомеханические основы" в г. Магнитогорске 16-19 апреля 2001г.; на XII межотраслевом координационном совещании «Геодинамическая безопасность при освоении недр и земной поверхности» в г. Кировске, 23-24 января 2002г.
Публикации: по результатам исследований опубликовано 11 печатных работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 179 страниц машинописного текста, включая 72 рисунка, 15 таблиц, 3 приложений и списка использованной литературы из 135 наименований.
Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность научному руководителю профессору, доктору технических наук А.А. Козыреву за руководство и ценные советы при проведении исследований, директору Горного института КНЦ РАН академику Н.Н. Мельникову за помощь в завершении работы и полезные обсуждения результатов, генеральному директору ЗАО «ФосАгро АГ» С.Г. Федорову и генеральному директору ОАО «Апатит» А.В. Григорьеву за поддержку и создание условий для проведения исследований и подготовки диссертации.
Автор искренне признателен сотрудникам Горного института института КНЦ РАН за многолетнее и плодотворное сотрудничество и работникам ОАО"Апатит" за заинтересованность и поддержку в проведении исследований и реализации рекомендаций.
Похожие диссертации на Геомеханическое обоснование технологии и систем контроля массива пород при отработке стыковочных зон подземным и открытым способами : На примере апатитовых рудников Хибин
