Введение к работе
Актуальность работы.
Яковлевское железорудное месторождение является уникальным по запасам богатой руды и сложности геологических, гидрогеологических и горнотехнических условий.
Мощная залежь наклонного, почти крутого залегания, представленная более чем на 50% рыхлыми рудами, перекрыты породной толщей мощностью более 500 м. В покрывающих породах выделяют семь водоносных горизонтов с напором до 400 м. Залежь богатых руд на участке первоочередной отработки дренирована сетью транспортно-дренажных ортов и дренажных скважин. Осадки покрывающей рудной толщи и пород карбона с образованием водопроводящих трещин, которые могут стать причиной прорывов воды в горные выработки при строительстве перекрытия и ведении очистных работ, недопустимы. Необходимость сохранения водозащитных свойств покрывающей рудной и породной толщи обуславливает высокие требования к ведению подготовительных, очистных и закладочных работ.
Значительный вклад в исследование устойчивости выработок и определения параметров НДС вмещающего массива и в целиках между выработками внесли: Н.С. Булычев, А.Н. Козлов, А.Г. Протосеня, О.В. Тимофеев, Ю.Н. Огородников, Н.Г. Савин, В.С.Сажин, Н.Н. Фотиева, И.В. Баклашов, Б.А. Картозия, И.Е. Долгий, О.В. Ковалев, К.В. Руппенейт, В.Л. Трушко, В.М. Шик, Л.А. Галин, Д.Д.Ивлев, В.М. Мирсалимов, П.И. Перлин, и другие.
Однако при строительстве защитных перекрытий при отработке слабых руд в сложных горно-геологических условиях возникают сложности с устойчивостью разделительных целиков и креплением близкорасположенных взаимовлияющих выработок. Определение безопасных параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) целиков в массиве при различном порядке проведения и закладки параллельных выработок, пройденных буровзрывным и комбайновым способами, является задачей, актуальной для эффективной разработки Яковлевского и аналогичных по гидрогеологическим и горнотехническим условиям месторождений.
Цель диссертационной работы: обеспечение устойчивости выработок и несущей способности разделительных целиков при проведении параллельных взаимовлияющих выработок в массиве слабых и средней крепости руд на участке первоочередной отработки Яковлевского рудника.
Основные задачи исследования:
- натурные наблюдения за состоянием вмещающего массива и устойчивостью одиночных и взаимовлияющих выработок в шахтных условиях;
- исследования прочностных свойств слабых и средней крепости руд на образцах неправильной формы;
- разработка конечноэлементной модели и выявление закономерностей изменения параметров полей напряжений, смещений и деформаций рудного массива при различном взаимном расположении, очередности проведения и качестве закладки параллельных выработок;
- разработка методики расчета нагрузок и выбор параметров крепи параллельных взаимовлияющих выработок.
Идея работы: С целью сохранения несущей способности рудных целиков и устойчивости взаимовлияющих выработок в массиве слабых руд следует обеспечить условия перераспределения давления рудной потолочины с рудных целиков на искусственные, путем применения рационального порядка, технологии проведения и закладки выработок, повышения качества их оконтуривания и крепления, с учетом особенностей деформирования рудного массива при предельном нагружении.
Методы исследований. Принята комплексная методика исследований, включающая:
- обследование параллельных взаимовлияющих выработок;
- шахтные наблюдения за смещениями и вывалами рудного массива по трассе выработок;
- определение параметров паспорта прочности руд в лабораторных условиях на образцах неправильной формы;
- математическое моделирование напряженно-деформированного состояния рудного массива, вмещающего параллельные взаимовлияющие выработки.
Научная новизна работы:
- установлены закономерности изменения несущей способности разделительных целиков между выработками в зависимости от их ширины, технологии проведения, качества оконтуривания и заполнения закрепного пространства выработок; а также в сокращении эффективной ширины целиков за счет отжима руды в боках целиков;
- выявлены зависимости развития зон предельного состояния в кровле параллельных взаимовлияющих выработок от порядка их проведения относительно закладочного массива и величины переборов руды за крепью, что послужило основой разработанной методика прогнозирования нагрузок на крепь.
Защищаемые положения:
1. В железнослюдково-мартитовых и мартитовых рыхлых рудах вертикальные напряжения в целике шириной в один пролет параллельных выработок в 1,6 – 2,0 раза превышают фоновые. В центре целиков шириной в 2 и 3 пролета коэффициент концентрации напряжений соответственно уменьшается до 1,2 – 1,3 и 1,1 – 1,15. За счет зон отжима и предельного состояния эффективная ширина и несущая способность целиков в рыхлых рудах снижаются на 30 – 35, 15 – 18 и 8 – 12 %.
2. Размеры зон предельного состояния в кровле выработок, пройденных вприсечку к бетонной закладке при последовательном порядке строительства защитного перекрытия увеличиваются пропорционально величине подработанного пространства и стабилизируются на уровне, зависящем от величины недозаклада; при недозакладе 0,3 м и более рост зон предельного состояния прекращается после проходки и закладки 8 – 9 выработок.
3. В рыхлых рудах нагрузку на крепь выработок первой очереди следует определять по объему отслоившейся от массива руды, который зависит от способа проходки и пустот в закрепном пространстве; в выработках второй очереди, с учетом увеличения мощности зон возможного обрушения, нагрузка на крепь в 1,5 – 2,0 раза больше, за счет пустот и обрушений в кровле смежных выработок.
Практическая значимость работы:
- разработана методика прогнозирования и расчета нагрузок на крепь параллельных взаимовлияющих выработок при различном порядке и технологии их проведения в условиях Яковлевского рудника;
- обоснованы рациональные виды и параметры крепей при различном порядке проведения параллельных выработок;
- разработана конструкция металлической крепи для выработок, пройденных вприсечку к бетонному массиву (заявка «Металлическая крепь с консолью» №2008123353, приоритет от 09.06.2008)
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций: подтверждается значительным объемом экспериментальных натурных наблюдений за состоянием взаимовлияющих параллельных выработок; моделированием напряженно-деформированного состояния (НДС) массива, вмещающего параллельные выработки, при различном порядке проведения с учетом нелинейных свойств массива, методом конечных элементов; сходимостью полученных на моделях величин осадки покрывной толщи со смещениями глубинных реперов, измеренными маркшейдерской службой рудника в натурных условиях.
Апробация диссертации: содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на Международном форме молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург 2008 г.); ежегодных конференциях молодых ученых и студентов СПГГИ (ТУ) им. Г.В. Плеханова “Полезные ископаемые России и их освоение” (Санкт-Петербург, 2007, 2008 г.г.).
Личный вклад автора заключается: в сборе натурных данных по объекту исследования, обработке результатов обследования, создании конечно-элементной модели с учетом нелинейных свойств массива для исследования формирования полей напряжений вокруг взаимовлияющих параллельных выработок, анализе полученных результатов и сопоставлении их с натурными данными, выполнении экспериментов и разработке практических рекомендаций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ в вузовских и межвузовских сборниках научных трудов, из них 2 работы в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ. Подана заявка на патент РФ «Металлическая крепь с консолью» для крепления параллельных выработок, проведенных вприсечку (в соавторстве с О.В. Тимофеевым и Р.И. Ларионовым)
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 205 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, 3 приложения, список использованной литературы из 75 именований, 106 рисунков и 54 таблицы.
