Геомеханическое обоснование устойчивости горных выработок под защитным перекрытием : на примере Яковлевского рудника Стрелецкий, Александр Владимирович

Введение к работе

Актуальность работы. Яковлевское месторождение богатых железных руд с запасами более 9,6 млрд. тонн и содержанием железа в руде до 69% является наиболее крупным в Белгородском железорудном районе и играет важную роль в развитии минерально-сырьевой базы Российской Федерации.

Месторождение не имеет аналогов по сложности горногеологических условий и характеризуется наличием семи высоконапорных водоносных горизонтов в покрывающей толще, низкой прочностью богатых железных руд до 1,0 МПа и высокой пористостью до 42%.

Для обеспечения безопасной разработки месторождения оставляется предохранительный рудный целик мощностью 65 м и формируется искусственное защитное перекрытие из твердеющей закладочной смеси. Отработка запасов ведется горизонтальными слоями в нисходящем порядке с полной закладкой выработанного пространства.

В результате ведения горных работ происходит изменение напряженно-деформированного состояния вмещающего рудного массива, что приводит к потере устойчивости горных выработок, проводимых под защитным перекрытием, и отрицательно влияет на производственные показатели Яковлевского рудника.

Исходя из вышеизложенного, геомеханическое обоснование устойчивости горных выработок Яковлевского рудника под защитным перекрытием является актуальной научно-технической задачей.

Большой вклад в решение геомеханических проблем по обеспечению устойчивости горных выработок внесли: К.А. Ардашев, И.В. Баклашов, Н.С. Булычев, В.П. Зубов, В.Р. Именитов, Д.Р. Каплунов, Б.А. Картозия, О.В. Ковалев,

1. А. Козырев, Ю.Н. Огородников, А.Г. Протосеня, К.В. Руппенейт,

2. С. Сажин, С.В. Сергеев, О.В. Тимофеев, К.Н. Трубецкой, В.Л. Трушко, П.М. Цимбаревич и другие ученые.

Однако в опубликованных работах не рассматривались вопросы обеспечения устойчивости горных выработок под защитным перекрытием в условиях, аналогичных Яковлевскому железорудному месторождению.

Цель работы. Обеспечение устойчивости горных выработок под защитным перекрытием.

Идея работы. Геомеханическое обоснование устойчивости горных выработок, пройденных под защитным перекрытием, должно базироваться на закономерностях формирования поверхностей сдвига в приконтурном рудном массиве и учете контактного взаимодействия с перекрытием.

Основные задачи исследования:

1. анализ теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния рудного массива и защитного перекрытия при отработке железорудных месторождений;

2. проведение натурных наблюдений за проявлениями горного давления в выработках под защитным перекрытием;

3. численное моделирование напряженно-деформированного состояния рудного массива вокруг выработок, пройденных под защитным перекрытием;

4. определение закономерностей формирования напряженно- деформированного состояния рудного массива при отработке богатых железных руд под защитным перекрытием;

5. обоснование рациональной формы поперечного сечения и параметров анкерной крепи горных выработок, проводимых под защитным перекрытием.

Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплекса методов исследований, включающего анализ и обобщение отечественной и зарубежной литературы, натурные исследования проявлений горного давления при ведении горных работ под защитным перекрытием, численное моделирование геомеханических процессов деформирования рудного массива при ведении горных работ и закладке выработок под защитным перекрытием с использованием метода конечных элементов, испытания в шахтных условиях анкерной крепи.

Научная новизна:

6. установлена зависимость размеров и конфигурации зоны предельного состояния в боках выработок, пройденных под защитным перекрытием, от деформационно-прочностных характеристик рудного массива;

7. выявлены закономерности изменения параметров напряженно-деформированного состояния вмещающего массива при отработке богатых железных руд под защитным перекрытием с учетом характера контактного взаимодействия рудного массива и защитного перекрытия.

Основные защищаемые положения:

7. 1. Механизм потери устойчивости выработок, пройденных под защитным перекрытием, заключается в образовании поверхностей сдвига в боках выработок, параметры которых зависят от деформационно-прочностных свойств приконтурного рудного массива.

   2. Напряженно-деформированное состояние рудного массива вокруг выработки описывается моделью упругопластического тела, учитывающей характер контактного взаимодействия рудного и закладочного массивов.

   3. Устойчивость горных выработок под защитным перекрытием обеспечивается трапециевидной формой сечения и упрочнением стеклопластиковыми анкерами зоны предельного состояния приконтурного массива в боках выработок.

   Практическая значимость работы:

   8. обоснована рациональная форма поперечного сечения и конструкция крепи горных выработок при их проведении под защитным перекрытием;

   9. разработан способ упрочнения слабых трещиноватых рудных массивов (заявка на изобретение № 2011152572(078924) от 22.11.2011 г., решение о выдаче патента 01.02.2013 г.).

   Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается значительным объемом натурных и аналитических исследований, применением численного моделирования напряженно-деформированного состояния массива методом конечных элементов, высокой

   сходимостью результатов численных расчетов с данными натурных наблюдений, положительными результатами внедрения рекомендаций по обеспечению устойчивости выработок под защитным перекрытием.

   Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференции молодых ученых в Краковской горнометаллургической академии (Польша, г. Краков, 2011 г.); на конференции «Проблемы освоения недр в ХХ! веке глазами молодых» (г. Москва, 2010 г.), «Современные проблемы геомеханики, геотехнологии, маркшейдерии и геодезии при разработке месторождений полезных ископаемых и освоении подземного пространства» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и их решения» (г. Воркута, 2012, 2013 гг.); заседаниях научно-технического совета по работе с аспирантами и получили одобрение.

   Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы для разработки рекомендаций по выбору параметров сечения и крепи горных выработок под защитным перекрытием при отработке запасов богатых железных руд на Яковлевском руднике, ООО «МЕТАЛЛ-ГРУПП». Научные и практические результаты исследования использованы при выполнении хоздоговорных научно-исследовательских работ в Национальном минерально- сырьевом университете «Горный».

   Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований, сборе данных по объекту исследования и анализе научной литературы, формулировке защищаемых положений, проведении натурных наблюдений за состоянием выработок, пройденных под защитным перекрытием Яковлевского рудника, обработке и анализе натурных данных, создании конечно- элементных моделей для исследования особенностей формирования напряженно-деформированного состояния рудного массива вокруг выработок, проводимых под защитным перекрытием, разработке практических рекомендаций.

   Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 4 работы в изданиях, входящих в Перечень

   ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

   Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 103 наименований, 61 рисунок и 24 таблицы.

   Похожие диссертации на Геомеханическое обоснование устойчивости горных выработок под защитным перекрытием : на примере Яковлевского рудника

   

   Обоснование методики оценки геодинамической устойчивости выработок глубоких рудников Колосова Ольга Владимировна

   

   Геомеханическое обоснование технологии и систем контроля массива пород при отработке стыковочных зон подземным и открытым способами : На примере апатитовых рудников ХибинСвинин Вадим Сергеевич

   

   Геомеханическое обоснование устойчивости выработок в рыхлых рудахЗыков Денис Борисович

   

   Геомеханическое обоснование устойчивости выработок при отработке подкарьерных запасов рудных месторождений (на примере ОАО «Апатит»)Шоков Анатолий Николаевич

   

   Геомеханическое обоснование устойчивости горных выработок в соляных и ледовых отложениях Кононова Нина Сергеевна

   Геомеханическое обоснование устойчивости подготовительных выработок при подземной разработке прибортовых запасов карьеров : на примере ОАО "Апатит"Куранов, Антон Дмитриевич

   Геомеханическое обоснование способов обеспечения устойчивости выработок при проходке в рыхлых рудах вприсечку к закладочному массивуСинегубов, Вячеслав Юрьевич

   

   Геомеханическое обоснование устойчивости подготовительных горных выработок в слоистых массивах при пологом залегании угольных пластовРаевский Денис Игоревич

   

   Геомеханическое обоснование устойчивости параллельных взаимовлияющих горизонтальных выработок в рудном массивеАнтонов Юрий Николаевич

   

   Обоснование способов обеспечения устойчивости подготовительных выработок в сложных горно-геологических условияхКомпанейцев, Андрей Юрьевич