Введение к работе
Актуальность работы. ОАО «Апатит» активно ведет отработку запасов апатит-нефелиновых руд комбинированным открыто-подземным способом.
Актуальность решения проблем обеспечения устойчивости подготовительных выработок в зоне влияния карьера объясняется необходимостью перехода Восточного рудника ОАО «Апатит» на подземную разработку запасов, ввиду технологической невозможности дальнейшей разработки месторождения открытым способом и целесообразностью дальнейшего извлечения апатит-нефелиновых
РУД-
Сложный характер влияния борта на проходческие и очистные работы в прибортовой части карьера, наличие других значимых факторов (тектоника, зоны окисленных пород, в том числе неоднородность борта карьера), требуют комплексного подхода к решению задачи обеспечения устойчивости подготовительных выработок.
Решение вышеуказанной задачи может быть достигнуто путем оценки пространственного напряженно-деформированного состояния прибортового массива, осуществляемой с учетом взаимовлияния карьера, подготовительных выработок, очистных работ и неравнокомпонентного гравитационно-тектонического поля напряжений.
Наибольший вклад в исследование геомеханических процессов при комбинированной разработке рудных месторождений внесли такие ученые, как Д.Р. Каплунов, А.А. Козырев, В.Н. Калмыков, Э.В. Каспарян, B.C. Свинин, В.В. Рыбин, М.В. Рыльникова, Д.М. Казикаев, и др. Обеспечению устойчивости выработок, проводимых в прочных высоконапряженных массивах, посвящены работы А.Г. Протосени, В.Л. Трушко, Ю.Н. Огородникова, И.Ю. Рассказова, О.В. Тимофеева, М.В. Корнилкова, В.В. Зубкова, О.В. Ковалева, А.А. Еременко, Н.С. Булычева, Н.Н. Фотиевой, Г.Г. Мирзаева и других ученых.
Основная направленность существующих исследований заключалась в определении особенностей напряженно-
деформированного состояния конструктивных элементов систем разработки - междукамерных целиков, охранных целиков и потолочин под дном карьера. При этом, большая часть исследований выполнялась, как правило, методами, реализующими плоскодеформационную постановку задачи. Также изучались изменения физико-механических свойств пород в прибортовом массиве. При этом, с позиций обеспечения устойчивости подготовительных выработок проблема геомеханически безопасного использования комбинированной геотехнологии практически не рассматривалась.
Цель работы. Обеспечение устойчивости подготовительных выработок при отработке прибортовых запасов карьеров Восточного рудника ОАО «Апатит».
Идея работы. Выбор рациональных типов и параметров крепей подземных подготовительных выработок при комбинированном открыто-подземном способе разработки производится на основе прогноза их устойчивости, базирующегося на результатах численного моделирования, с учетом особенностей перераспределения компонентов гравитационно-тектонического поля напряжений в прибортовом массиве.
Основные задачи исследований:
- проведение натурных наблюдений за проявлениями горно
го давления и устойчивостью подготовительных выработок на руд
никах ОАО «Апатит»;
- проведение численных экспериментов по исследованию параметров полей напряжений в прибортовом массиве при комбинированной разработке месторождения открыто-подземным способом;
- анализ напряженно-деформированного состояния массива
вокруг подготовительных выработок, расположенных в зоне сово
купного влияния карьера и подземных очистных работ;
- обоснование выбора рациональных типов и параметров
крепей подготовительных выработок, расположенных в приборто
вом массиве карьера.
Методы исследований. При выполнении работы использовалась комплексная методика исследований, включающая анализ
литературных источников, опыта комбинированной открыто-подземной разработки месторождений полезных ископаемых, материалов геологической разведки месторождений Восточного рудника ОАО «Апатит», натурные наблюдения за устойчивостью выработок апатитовых рудников, численное моделирование геомеханических процессов в прибортовом массиве.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
установлены закономерности перераспределения напряжений в приконтурной области карьера, расположенного в высоконапряженном массиве, которые используются для установления граничных и начальных условий численного моделирования локальных участков подземного рудника;
выявлены закономерности изменения параметров напряженно-деформированного состояния массива вокруг подготовительных выработок и напряжений в элементах крепи в зависимости от их положения относительно борта карьера, которые используются при обосновании рациональных типов и параметров крепей выработок.
Основные защищаемые положения:
1. Трехмерная численная модель прогноза напряженно-
деформированного состояния прибортового массива, вмещающего
подготовительные выработки, должна учитывать его структурную
неоднородность, параметры системы подземной разработки, а кроме
того, особенности перераспределения компонентов гравитационно-
тектонического поля напряжений в прибортовом массиве.
-
Напряжения в массиве вокруг выработок, проводимых в зоне влияния борта карьера при открыто-подземной разработке месторождения, главным образом зависят от расстояния между выработкой и бортом карьера и сформировавшегося после постановки бортов в конечное положение поля напряжений, параметры которого определяются с учетом размеров карьера и гравитационно-тектонического поля напряжений нетронутого массива.
-
Обоснование типов и расчет параметров крепей подготовительных выработок при отработке прибортовых запасов системами разработки с подэтажным обрушением должны осуществляться
по методике, учитывающей особенности формирования зон концентраций и разгрузки от напряжений, в зависимости от положения выработок относительно борта карьера.
Практическая значимость работы:
Разработана методика расчета параметров напряжено-деформированного состояния массива вокруг подготовительных выработок, находящихся в зоне влияния карьера.
Обоснованы рациональные типы и параметры крепей подготовительных выработок с учетом совокупного влияния карьера, подземных очистных работ и тектонического поля напряжений.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, подтверждается значительным объемом натурных наблюдений за состоянием крепи и породных обнажений в зоне влияния карьера, исследованием прочности образцов вмещающих пород, моделированием напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок методом конечных элементов, а также согласованностью результатов расчета с данными натурных исследований.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований освещались на научно-практических конференциях: Международном форуме-конкурсе «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), ежегодных конференциях студентов и молодых учёных «Полезные ископаемые России и их освоение» (г. Санкт-Петербург, 2010-2012 г.г.), Международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и их решения» (г. Воркута, 2010, 2012 г.г.).
Реализация результатов работы. Решение отдельных вопросов по теме диссертации выполнялось в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Диссертант являлся руководителем проекта 14.132.21.1818 «Создание теоретических основ геомеханически безопасной разработки рудных месторождений комбинированным открыто-подземным способом».
Результаты проведенных исследований вошли составной частью в раздел по обеспечению устойчивости подземных выработок
«Технологического регламента отработки запасов Коашвинского месторождения апатит-нефелиновых руд», разработанного в Научном центре геомеханики и проблем горного производства Горного университета в 2012 г.
Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований; в выполнении лабораторных испытаний образцов горных пород и обработке их результатов; проведении натурных исследований за устойчивостью горных выработок на рудниках ОАО «Апатит»; в разработке конечно-элементных моделей; выполнении численных экспериментов и анализе полученных результатов; в разработке практических рекомендаций по обеспечению устойчивости подготовительных выработок в прибортовом массиве карьера.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России - 4 статьи.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 174 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 96 наименований, включает 111 рисунков, 38 таблиц.
