Содержание к диссертации
Введение
Глава1 Состояние вопроса и задачи исследований 10
1.1 Обзор научно-технической литературы и данных практики по теме исследования 10
1.1.1 Общие положения и понятия комбинированной технологии рудных месторождений 10
1.1.2 Особенности геомеханических процессов, протекающие в массивах при комбинированной отработке рудных месторождений 15
1.2 Горно-геологическиеособенностиместорождений восточногорудникаоао«апатит» 18
1.2.1 Особенности геологического строения 18
1.2.2 Горнотехнические условия отработки 21
1.3 Существующие методы изучения напряженно-деформированногосостояниямассивовгорныхпород 25
1.4 Выводы по главе1.Цель и задачи исследования 30
Глава 2 Лабораторные исследования прочностных и деформационныххарактеристикгорныхпород 32
2.1 методика проведения лабораторных исследований физико-механических свойств горных пород 32
2.1.1 Определение деформационно-прочностных характеристик горных пород 32
2.2.1 Экспресс методика проведения упрощенных лабораторных исследований физико-механических свойств горных пород 38
2.2 Результаты лабораторных физико-механических испытаний основных литотипов горных пород восточного рудника оао “апатит” 41
2.3 Выводы по главе 2 45
3 Моделирование напряженно-деформированного состояния вокруг выработок при отработке подкарьерных запасоввосточногорудникаоао«апатит» 46
3.1.1 Общие сведения об объекте исследования и постановка задачи для моделирования 46
3.1.2 Анализ напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива с учетом гравитационно-тектонического поля напряжений 50
3.2 Моделирование напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива при отработке подкарьерныхзапасов 61
3.2.1 Постановка задачи для моделирования 61
3.2.2 Анализ напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива, вмещающего горные выработки 63
ГЛАВА 4 Разработка рекомендаций по повышению устойчивости горных выработок, проводимых в подкарьерныхмассивах 79
4.1 Натурныенаблюдениязасостояниемвыработокрудников оао”апатит” 79
4.2 Лабораторные исследования прочностных и деформационных характеристик бетона и фибробетона 85
4.2.1 Постановка задачи исследования 85
4.2.2 Методика проведения лабораторных исследований образцов бетона и фибробетона на одноосное сжатие и растяжение 87
4.2.3 Результаты физико-механических образцов бетона и фибробетона на одноосное сжатие и растяжение 91
4.2.4 Выводы по исследованиям влияния фибры на физико-механические свойства бетонов 94
4.2.5 Технология ведения работ по применению фибры в набрызгбетонных крепях горных выработок, проводимых в подкарьерном массиве 96
4.2.6 Рекомендации по расчету и применению фибры в креплении горных выработок, проводимых в подкарьерном массиве 97
4.3 Обоснование мероприятий по обеспечению устойчивости подготовительных выработок при отработке подкарьерных запасов 100
4.3.1 Оценка устойчивости подземных горных выработок в зоне влияния карьера на основе показателя напряженности 100
4.3.2 Рекомендации по обеспечению устойчивости подземных горных выработок, проводимых при отработке подкарьерного массива 101
4.4 Выводы по главе 4 109
Заключение 111
Список литературы 113
- Особенности геологического строения
- Экспресс методика проведения упрощенных лабораторных исследований физико-механических свойств горных пород
- Моделирование напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива при отработке подкарьерныхзапасов
- Результаты физико-механических образцов бетона и фибробетона на одноосное сжатие и растяжение
Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время Восточный рудник ОАО «Апатит» ведет отработку запасов апатит-нефелиновых руд Коашвинского и Ньюркпахкского месторождений открытым способом. В дальнейшем планируется переход на подземную разработку месторождения, поэтому большой научный и практический интерес представляют задачи, связанные с обеспечением устойчивости подготовительных выработок при отработке подкарьерных запасов.
Актуальность вышеуказанной задачи объясняется сложным характером совместного влияния карьера, проходческих и очистных подземных горных работ, а также наличием в массиве тектонических напряжений.
Для решения данной задачи необходима комплексная оценка напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива с учетом неравнокомпонентного гравитационно-тектонического поля напряжений, особенностей физико-механических и структурных свойств вмещающих пород и влияния подготовительных и очистных выработок.
Исследованием геомеханических процессов при комбинированной разработке рудных месторождений занимались такие ученые, как Д.Р. Каплунов, А.А. Козырев, Д.М. Казикаев, В.Н. Калмыков, Э.В. Каспарян, Ю.В. Демидов, Ю.В. Волков, М.В. Рыльникова, В.В. Рыбин, Т.М. Мухтаров и др. Обеспечению устойчивости выработок посвящены работы И.В. Баклашова, А.А. Баряха, И.Ю. Рассказова, К.В. Руппенейта, Н.С. Булычева, Б.А. Картозии, А.Н. Панкратенко, В.В. Першина и др. Изучением геомеханических процессов вокруг выработок в прочных высоконапряженных массивах занимались А.А. Еременко, А.Г. Протосеня, В.Л. Трушко, Г.Г. Мирзаев, М.В. Корнилков, В.В. Зубков, О.В. Ковалев и др.
Цель диссертационной работы: обеспечение устойчивости подготовительных выработок при отработке подкарьерных запасов Восточного рудника ОАО «Апатит».
Идея работы: выбор рациональных типов и параметров крепей подготовительных выработок, расположенных в подкарьерных массивах, должен производиться на основе прогноза их устойчиво-3
сти, базирующегося на результатах численного моделирования с учетом особенностей перераспределения компонентов гравитационно-тектонического поля напряжений, вызванные разработкой карьера.
Основные задачи исследования:
1. Лабораторные исследования физико-механических
свойств руд и вмещающих пород;
-
Проведение натурных наблюдений за проявлениями горного давления в подготовительных выработках на рудниках ОАО «Апатит»;
-
Проведение численного моделирования по исследованию параметров полей напряжений в подкарьерном массиве при комбинированной открыто-подземной разработке месторождения;
-
Разработка конечно-элементных моделей массива рудных месторождений при отработке подкарьерных запасов и установление закономерностей изменения поля напряжений;
-
Обоснование рациональных типов и параметров крепей подготовительных выработок, расположенных в подкарьерном массиве.
Методы исследований.
В работе использовалась комплексная методика исследования, включающая анализ литературных источников, опыта комбинированной открыто-подземной разработки месторождений полезных ископаемых; материалов геологической разведки месторождений Восточного рудника ОАО «Апатит»; исследование прочностных и деформационных свойств вмещающих горных пород в лабораторных условиях; натурные наблюдения за устойчивостью подготовительных выработок; численное моделирование геомеханических процессов, протекающих в подкарьерных массивах.
Научная новизна работы:
1. Установлены закономерности перераспределения гравита
ционно-тектонического поля напряжений в подкарьерном массиве,
вызванные карьерной выемкой.
2. Выявлены закономерности изменения коэффициентов
концентрации напряжений на контурах горных выработок в подка-
рьерном массиве в зависимости от их положения относительно дна
карьера.
Защищаемые научные положения:
1. Метод прогноза пространственного напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива должен учитывать его геологическое строение, геометрические параметры карьера и естественное гравитационно-тектоническое поле напряжений.
2. Наличие карьера приводит к концентрации тангенциальных напряжений в кровле и почве горных выработок и формированию в подкарьерном массиве зоны повышенных напряжений, размеры которой достигают под его дном 320 метров, а в горизонтальном направлении - 200 метров.
3. Обоснование типов и расчет параметров крепей подготовительных выработок при отработке подкарьерных запасов должны осуществляться по методике, учитывающей, кроме других факторов, положение выработок относительно дна карьера, и для крепления выработок в породах второй, третьей и четвертой категорий устойчивости рекомендуется использовать фибронабрызгбетон.
Практическая значимость работы:
1. Разработана методика расчета параметров напряженно-
деформированного состояния массива вокруг горных выработок,
находящихся в зоне влияния карьера.
-
Обоснованы рациональные типы и параметры крепей подготовительных выработок, учитывающие совокупное влияние карьера и тектонического поля напряжений в массиве.
-
Разработаны рекомендации по использованию фиброна-брызгбетона для крепления выработок в сложных горнотехнических условиях.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается использованием новейшего прессового оборудования лаборатории физико-механических свойств и разрушения горных пород Научного центра геомеханики и проблем горного производства Национального минерально-сырьевого университета «Горный» при выполнении испытаний образцов горных пород; использованием реализованного в рамках сертифицированного программного комплекса для ЭВМ Simulia Abaqus современного численного метода конечных элементов; натурными наблюдениями за состоянием крепи и породных обнажений в зоне влияния карьера.
Апробация диссертации.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях: международных форумах молодых ученых «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2012, 2013 г.); ежегодных конференциях студентов и молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (г. Санкт-Петербург, 2012, 2013 г.); Международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и их решения» (г. Воркута, 2011, 2013 г.).
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований; в выполнении лабораторных испытаний образцов горных пород и обработке их результатов; в постановке задач конечно-элементного моделирования; в разработке конечно-элементных моделей, выполнении численных экспериментов и анализе полученных результатов; проведении натурных наблюдений за устойчивостью горных выработок на рудниках ОАО «Апатит»; в разработке практических рекомендаций по обеспечению устойчивости подготовительных выработок в подкарьерных массивах карьеров.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 3 работы в изданиях, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 108 наименований, 68 рисунков и 15 таблиц.
Особенности геологического строения
В состав Восточного рудника ОАО «Апатит» входят Коашвинское и Ньоркпахкское месторождения [30,31,32]. В данной работе рассматривается Ко-ашвинское месторождение, следовательно более подробно рассмотрено горногеологические особенности именно данного месторождения.
Месторождение Коашва входит в состав месторождений Хибинской группы, локализованных в пределах «ийолит-уртитовой дуги» Хибинского щелочного массива. Месторождение расположено на склонах горы Коашва и в долине реки Вуоннемйок. Площадь месторождения по геоморфологическим признакам относится к области среднегорного рельефа. Западная часть карьера ограничена горой Коашва, восточная – долиной реки. Коашвинское месторождение пространственно и генетически связано с конической интрузией ийолит-уртитов и залегает в средней части ее трехчленного разреза, в массивных уртитах рудной субфазы.
Общая видимая мощность ийолит-уртитовой интрузии в этом районе (рудная зона, покрывающие и подстилающие ийолиты) достигают 1900м, истинная – 1000 м. Интрузия и соответственно рудная зона имеют простирание СВ 60-700 и падение СЗ под углами 25-500. Вмещающими интрузию породами со стороны лежачего бока являются на верхних горизонтах хибиниты, глубже – рисчорриты, со стороны висячего бока – рисчорриты с фацией ювитов и поздние лявочорри-ты.
Характерными особенностями Коашвинского месторождения являются многоярусное строение, сложная морфология рудных тел и широко развитое их брекчирование.
Рудные тела Коашвы сложены теми же природными типами руд, что и на других эксплуатируемых месторождениях Хибинского массива. По особенностям строения и состава рудная зона в целом разделяется на верхнюю и нижнею части. Верхняя часть характеризуются максимально большим количеством рудных тел и сопровождающих их саттелитов, сложной формой тел с резкими раздувами и пережимами, широким развитием в их составе богатых руд и рудной брекчии.
Нижние горизонты отличаются присутствием 1-2 рудных тел пластообраз-ной формы, без резких колебаний мощности, преобладанием в их составе руд среднего качества и бедных; ограниченным развитием рудной брекчии.
Породы, залегающие выше долин и цирков, благодаря дренажу, большую часть года безводны. Обводнение их происходит лишь временно – в период интенсивного снеготаяния и дождей. Здесь формируется зона аэрации. С понижением отметок до уровня долин происходит накопление просочившихся вод и формирование водоносных горизонтов в кристаллических породах и четвертичных отложениях. Это зона постоянного водонасыщения, имеющая повсеместное площадное распространение.
По гидрогеологическим и инженерно-геологическим условиям месторождение относится к сложным [1]. Это в большей степени связано с большой площадью водосбора притоков р.Вуоннемийок и руч.Тихого с двумя притоками Ко-ашвайок и Китченахийок, наличием 2-х водоносных комплексов и действующим в настоящее время карьером.
На месторождении выделяется четыре рудных тела (I, II, III, IА) в главной рудной зоне и два рудных тела (IV, IVА) в нижней рудной зоне. Рыхлые четвертичные отложения сплошным плащом покрывают руды и коренные породы.
Простирание рудной зоны СВ 60-70, падение на СЗ под углами от 20-30 у поверхности до 35-45 на глубине. Длина рудной зоны по простиранию 3,2 км, по падению 1,5-1,6 км. Общая мощность рудной зоны в среднем составляет 250-300 м, уменьшаясь местами до 100 м и увеличиваясь до 400 м.
Коашвинское месторождение имеет многоярусное строение, обусловленное чередованием в разрезе сложных по форме тел апатито-нефелиновых руд и разделяющих их массивных уртитов. Верхние горизонты рудной зоны характеризуются относительно большим количеством рудных тел и сателлитов. На нижних горизонтах присутствуют 1-2 рудных тела. Форма рудных тел линзообразная и пластообразная. Мощность рудных тел колеблется от нескольких метров до 180 м, составляя в среднем 25-40 м.
В строении рудных тел присутствуют прослои пустых пород мощностью до 10 м.
Процессы окисления (шпреуштейнизации) руд месторождения наблюдаются в нескольких локальных участках, количество их с глубиной уменьшается.
Руды представлены различными текстурными разновидностями: от богатых по содержанию Р2О5 пятнистых и пятнисто-полосчатых до бедных апатитовых уртитов. Практически все руды первичные.Основные рудообразующие минералы: апатит, нефелин, эгирин, сфен, титаномагнетит, полевой шпат.
Массив скальных пород разбит отдельными крутопадающими тектоническими разломами и зонами шпреуштейнизации мощностью 0,1-3,0 м, развитыми вдоль контактов с рудными телами.
Водоносный комплекс трещинных вод палеозойских пород залегает ниже и приурочен к верхней трещиноватой зоне выветрелых пород, либо к зонам интенсивной трещиноватости скальных пород. Характеризуется высокой водо-обильностью: коэффициент фильтрации - 42,3 м/сут, удельный дебит – 2,63 л/с.
Руды и вмещающие породы месторождения потенциально склонны к разрушению в форме горных ударов, т.к. имеют высокие значения коэффициента хрупкости 23 - 30. В рудах, вследствие их значительно меньшей крепости уровень действующих напряжений ниже, чем во вмещающих породах. В целом, поле напряжений в массиве пород месторождения характеризуется ярко выраженной изменчивостью как по площади, так и в пределах разведанных глубин. Величина напряжений находится в пределах 20-50 МПа, а при напряжениях в массиве свыше 40 МПа возникает реальная опасность динамических проявлений горного давления вплоть до горных ударов.
Данные свидетельствуют о высокой устойчивости породных обнажений вне зон трещиноватости и зон окисленных пород. На месторождении выделяется пять систем трещин, таблица 1.2. В наибольшей мере устойчивость породного массива определяют Концентрическая и Диагональная (система № 4) системы трещин, которые образуют зоны сгущения - от 1 до 10 трещин на метр вкрест их простирания. Протяженность трещин этих систем достигает сотен метров. В рудной зоне существуют системы хаотично ориентированных пластовых трещин и субвертикальных трещин, также характерных и для породного массива.
Экспресс методика проведения упрощенных лабораторных исследований физико-механических свойств горных пород
Для определения необходимого количества свойств горных пород в работе применялся экспресс-метод упрощенных лабораторных испытаний [59-69]. в настоящее время определнение физико-механических свойств горных пород выполняют в лабораторных условиях на образцах правильной геометрической формы, либо в полевых условиях с помощью переносных устройств на образцах произвольной формы. Способ определения механических свойств образцов горных пород и материалов, включающий нагружение образца двумя встречно направленными сферическими инденторами до его раскалывания, фиксирование разрушающей силы, определение в разрушенном образце площади поверхности трещины отрыва, проходящей через ось нагружения, и геометрических параметров разрушенных зон в областях контакта с обоими сферическими инденторами, вычисление растягивающего напряжения разрыва образца и среднего сжимающего напряжения на границе большей из разрушенных зон, и определение в качестве механических свойств образца предела прочности и сопротивления срезу. На рисунке 2.6 представлена схема нагрузочного устройства для реализации данного способа.
Нагрузочное устройство должно обеспечивать приложение к образцу сжимающей силы двумя соосными встречно направленными сферическими инденторами. Корпус 1 устройства представляет собой жесткую раму, внутри которой на оси нагружения 00 размещается подвижная пара штоков 2 с вкладышами 3, содержащими стальные сферические инденторы 4 для передачи нагрузки на образец 5. Способ осуществляют следующим образом. Образец устанавливают между сферическими инденторами и равномерно нагружают с регистрацией сжимающей силы P. Допускается испытание образцов произвольной, в том числе неправильной, формы с необработанными поверхностями. С ростом нагрузки в образце в областях контакта со сферическими инденторами развиваются разрушенные зоны раздробленного, уплотняемого при сжатии материала. Более интенсивно развивается зона в слабейшей по прочности области образца. При достижении предельного напряженного состояния на границе большей из разрушенных зон, возникает трещина отрыва 6, которая, смыкаясь со второй зоной, раскалывает образец на обломки 7 и 8. Затем из обломков образца собирают составной образец.
Для этого обломки прикладывают друг к другу, обеспечивая плотный контакт вдоль трещины отрыва. В составном образце определяют геометрические параметры разрушенных зон - диаметр остаточных отпечатков от инденторов Dотп и длину лунок выкола вдоль поверхности трещины отрыва Ьл. При этом границы лунки выкола выделяют по большему раскрытию берегов трещины в пределах выкола, а диаметр остаточного отпечатка предпочтительнее измерять в направлении, перпендикулярном трещине отрыва. Для упрощения и повышения точности измерений геометрические параметры разрушенных зон рекомендуется определять путем фотографирования образца совместно с измерительной линейкой и последующей обработки увеличенного на мониторе компьютера изображения.
Подготовка образцов горных пород к лабораторным исследованиям заключалась в придании им требуемых формы и размеров путем обработки на специальном камнерезном оборудовании. Глубина отбора керна вмещающих горных пород соответствует предварительно сформированных предпроектным планам отработки подкарьерного массива Коашвинского карьера [30-32]. Отобранный керн представлен на рисунке 2.7. Подготовленные к стандартным видам испытания образцы вмещающих горных пород представлены на рисунке 2.8.
Моделирование напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива при отработке подкарьерныхзапасов
Необходимо установить влияние карьерной выемки на напряженно-деформированное состояние вокруг выработок, находящихся непосредственно под дном карьера. В этой связи выполнено ряд плоских конечно-элементных моделей, расчетная схема которых представлена на рисунке 3.16.
Расчетная схема конечно-элементной модели карьера, вмещающего горные вы работки: Tx – тектонические напряжения в направлении вкрест простирания рудного тела; g - гравитационная составляющая поля напряжений Расположение горных выработок и их соответствующая привязка к горизонтам отработки представлена на рисунке 3.17. Горизонты разработки выбраны в соответствии с фактическим расстоянием до дна карьера.
В модели принят однородный линейно-деформируемый массив, с модулем упругости 50000 МПа, коэффициентом Пуассона 0,21, и плотностью пород равной 2830 кг/м3. Для оценки влияния карьера на напряженно-деформированное состояние массива вокруг выработок подкарьерного массива реализовано две модели, с учетом и без учета карьерной выемки. Параметры принятые в модели: число элементов – 240000; тип элементов – четырехугольные; минимальный линейный размер элемента – 0,2 м; максимальный линейный размер элемента - 5 м.
На первом этапе исследования рассмотрим качественное изменение напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива, вмещающего горные выработки, в непосредственной близости от дна карьера. На рисунке 3.19 представлены эпюры распределения вертикальных напряжений в подкарьерном массиве вокруг горных выработок.
Эпюры распределения вертикальных напряжений в подкарьерном массиве вокруг горных выработок: а) –без учета карьерной выемки; б) –с учетом карьерной выемки Из представленных эпюр распределения вертикальных напряжений можно заключить следующее. Разработка карьера приводит к незначительному росту вертикальных напряжений непосредственно под дном карьера. Данный рост напряжений подтвержден в исследовании напряженно-деформированного состояния в пространственной модели Коашвинского карьера, описанной в пункте 3.2.1. При некотором отклонении в горизонтальной плоскости от центральной оси в прикарьерном массиве заметно выражены зоны разгрузки от вертикальных напряжений, что в свою очередь зависят от влияния борта карьера, исследование которых детально рассмотрено в работах Куранова А.Д. [81-87]. С увеличением расстояния от дна карьера вертикальные напряжения в подкарьерном массиве стремятся к значениям напряжений, соответствующим варианту без разработки карьерной выемки. На следующем этапе рассмотрим влияния карьера на распределение горизонтальных напряжений. На рисунке 3.20 представлены эпюры распределения горизонтальных напряжений в подкарьерном массиве вокруг горных
Эпюры распределения вертикальных напряжений в подкарьерном массиве вокруг горных выработок: а) –без учета карьерной выемки; б) –с учетом карьерной выемки Из представленных выше эпюр можно отметить следующее. Разработка карьера приводит к перераспределению горизонтальных напряжений в прикарь-ерном и подкарьерном массивах. Горизонтальные напряжения в значительной степени увеличиваются в подкарьерном массиве непосредственно под дном карьера, а с увеличением глубины или отклонения от центральной оси горных выработок значение напряжений стремятся к случаю без учета карьерной выемки. Из этого можно заключить, что изменение напряжений в подкарьерном массиве вокруг горных выработок в наибольшей степени зависят от расстояния до дна карьера.
Следует также отметить, что подкарьерный массив характеризуется преобладающими значениями горизонтальных над вертикальными составляющими напряжений. Это особенность вызвана наличием в массиве значительных нерав-нокомпонентных горизонтальных тектонических напряжений. На следующем этапе рассмотрим количественные значения напряжений, возникающие на контуре выработок подкарьерного массива. Для этого подробно рассмотрим напряженно-деформированное состояние вокруг горной выработки №5, расположенной вдоль центральной оси карьера на расстоянии 50 метров от выработки до непосредственного дна карьера. На рисунке 3.21 представлены эпюра распределения вертикальных напряжений вокруг горной выработки, находящейся в непосредственной близости от дна карьера.
Эпюры распределения вертикальных напряжений в подкарьерном массиве вокруг горной выработки, находящейся в непосредственной близости от дна карьера: а) –без учета карьерной выемки; б) –с учетом карьерной выемки. Из представленных эпюр следует отметить следующее. Разработка карьера в значительной степени приводит к разгрузке от вертикальных напряжений вокруг горной выработки, находящейся в непосредственной близости от дна карьера. Также в боках выработки в сравнении со случаем без учета карьерной выемки пропадают растягивающие компоненты вертикальных напряжений. Это связано со значительным уменьшением гравитационной составляющей напряжений. В целом значения вертикальных напряжений при варианте разработки карьера на контуре выработок в 1,5-2 раза меньше, чем в случае отсутствия карьерной выемки. Эпюры распределения горизонтальных напряжений в подкарьерном массиве вокруг горной выработки, находящейся в непосредственной близости от дна карьера: а) –без учета карьерной выемки; б) –с учетом карьерной выемки. На рисунке 3.22 представлены эпюра распределения горизонтальных напряжений вокруг горной выработки, находящейся в непосредственной близо сти от дна карьера.
По представленным эпюрам можно заметить, что качественный характер распределения горизонтальных напряжений вокруг горной выработки, расположенной вблизи дна карьера, не изменяется. При этом количественные значения горизонтальных напряжений на контуре выработки при разработке карьера на 20-30% выше, чем в случае отсутствия карьерной выемки. В наибольшей степени рост значений напряжений происходит в кровле выработки, а в наименьшей степени в ее боках.
Исходя из эпюр, представленных на рисунке 3.19 и 3.20 можно сделать вывод, что наибольшие сжимающие напряжения, возникающие на контуре выработки, соответствуют горизонтальной составляющей напряжений.
Далее рассмотрим зону влияния карьера на значения максимальных сжимающих напряжений на контуре выработок подкарьерного и прикарьерного массивов. В первую очередь рассмотрим выработки, находящиеся непосредственно под дном карьера вдоль центральной оси (соответственно выработки №5, №14, №23, №32, №41, №50, №59, №68, №77). На рисунке 3.23 представлено изменение максимальных сжимающих напряжений в боках выработок подкарьерного массива вдоль центральной оси карьера в зависимости от расстояния от выработки до дна карьера.
Результаты физико-механических образцов бетона и фибробетона на одноосное сжатие и растяжение
Для оценки влияния фибры проведены испытания для четырех групп бетона: без применения добавок; с добавлением жидкого стекла; добавление фибры Barchip 54 объемом 3 и 5 кг/м3.
Результаты определения прочности на одноосное сжатие и предела пропорциональности образцов бетона и фибробетона сведены в таблицу 4.1 и 4.2.
Средняя прочность на одноосное сжатие образцов бетона, в зависимости от типа добавок, варьируется в пределах 21,4-28,7 МПа. Наличие фибры, вне зависимости от объема добавления в составе бетона приводит к незначительному росту прочности на сжатие. Так, например, для группы без добавок прочность на одноосное сжатие составила 25,7 МПа, а для группы с добавлением фибры 3 кг/м3 и 5 кг/м3 составила 26,8 МПа и 27,6 МПа соответственно.
При испытаниях на изгиб значительного увеличения прочности на растяжение (предела пропорциональности) так же не наблюдается, разница в величинах составляет 15-20%. Однако характер разрушения образцов с фиброй и без нее различен. На графиках зависимости ширины раскрытия устья трещины от прикладываемой осевой нагрузки для образцов без фибры характерным является падение нагрузки до нуля после достижения ее предельного значения. Аналогично разрушаются образцы с добавление жидкого стекла. Для образцов бетона с добавления фибры характерное падение значений нагрузки происходит на 40-70 % от максимального, потом падение прекращается, и при дальнейшем раскрытии устья надреза до 4 мм, практически, не изменяется. Обобщенные зависимости, полученные при испытаниях на трехточечный изгиб, представлены на рисунке 4.15.
После растрескивания бетон без армирования полностью теряет свою несущую способность. Бетон, армированный фиброй, имеет значительную остаточную несущую способность. Механизм действия следующий: фибра, беспорядочно распределенная в бетоне, перехватывает микротрещины вовремя их образования, подавляя их тенденцию к образованию более крупных трещин. После растрескивания фибра, перекрывающая трещину, обеспечивает определенную остаточную несущую способность. Наличие остаточной прочности и увеличения работы разрушения придаст фибронабрызгбетонной крепи податливость.
Фактически из вышеизложенного можно сделать вывод, что применение фибры в набрызгбетонных крепях горных выработок рудников ОАО “Апатит” рационально на наиболее сложных участках.
Технология ведения работ по применению фибры в набрызгбетонных крепях горных выработок, проводимых в подкарьерном массиве
Технология ведения работ по изготовлению набрызгбетонной крепи с фиброй не имеют принципиальных различий от приготовления обычной смеси и отличаются только операцией по добавлению фиброволокон. Процесс введения фибры в смесь на РСМУ занимает не более 5-10 минут на один замес даже при ручном дозировании. Наиболее удобный способ внедрения фибры, это добавление фибры уже в готовую смесь в миксер перед отправкой. Данный вариант возможен, если фиброволокна поставляются в растворяемых пакетах. Также существует другой вариант одновременное внедрение всего необходимого объема фибры вовремя одной из частей замеса в мешалку. При введении на РСМУ в эксплуатацию «новой линии» с установленными дозаторами под фибру, этот процесс будет полностью механизирован. Для удобства приведены принципиальные различия технологий крепления армированным набрызгбетонном от обычного набрызгбетона, представленные в таблице 4.3.
Транспортировка армированной фиброй смеси в наземных и горных миксерах выполняется также как и при транспортировке набрызгбетонной смеси без фиброволокон. Некоторой доработки требует узел перегрузки смеси из горного миксера в торкретмашину. На сегодняшний день для улавливания отсева используется просечной лист на бункере приемнике. При использовании фиброво-локон необходимо устанавливать колосниковый улавливатель, представляющий собой два ряда стальных прутьев распложенных в шахматном порядке, с максимальной величиной расстояния между прутьями равной величине наибольшего размера отсева разрешенного к попаданию в систему торкретмашины.
