Содержание к диссертации
Введение
1. Изученность вопроса и задачи исследований ... 8
1.1. Проблема обеспечения устойчивости подземных горных выработок на рудниках в удароопасных условиях 8
1.2. Состояние изученности вопроса обеспечения устойчивости выработок в удароопасных условиях 13
1.3. Обоснование проблемы в области обеспечения устойчивости горных выработок на рудных месторождениях в удароопасных условиях и задачи исследований 16
Выводы ! : 18
2. Обоснование параметров геомеханической модели, характеризующей формирование напряженного состояния в зоне влияния очистных работ на удароопасных рудных месторождениях
2.1. Горно-геологические условия, прочностные и упругие характеристики пород на удароопасных месторождениях.. 19
2.2. Прогнозная оценка напряженного состояния массива пород на глубоких горизонтах рудных месторождений . 22
2.3. Геометрические и геомеханические параметры модели 26
2.4. Анализ факторов, определяющих параметры геомеханической модели вторичного поля напряжений при расчёте крепи и места расположения подготовительных и нарезных выработок 32
Выводы 34
3. Исследования закономерностей формирования напряжений на контуре очистных, подготовительных выработок и их сопряжений в процессе образования выработанного пространства
3.1. Исследование формирования вторичного поля напряжений в зоне влияния очистных работ ; 36
3.2. Закономерности формирования напряжений в рудном массиве и породах лежачего бока при образовании выработанного пространства на горизонте 44
3.3. Определение напряжений на контуре очистных и подготовительных вы- 58 работок
3.4. Исследование закономерностей распределения напряжений вокруг подготовительных, нарезных выработок и сопряжений 65
Выводы 81
4. Оценка напряженного состояния подготовительных, нарезных выработок, сопряжений и разработка мер по обеспечению их устойчиво сти в удароопасных условиях 3
4.1. Оценка устойчивости выработок и их сопряжений в зоне влияния очистных работ 83
4.2. Рекомендации по обеспечению устойчивости подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений в удароопасных условиях 85
4.2.1. Мероприятия по снижению напряжений на контуре подготови -тельных и нарезных выработок в процессе проходки или на стадии проектирования. 86
4.2.2. Рекомендации по креплению подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений в удароопасных условиях 91
4.3. Внедрение результатов исследований на горнорудных предприятиях 99
Выводы 104
Заключение 107
Список использованных источников
- Состояние изученности вопроса обеспечения устойчивости выработок в удароопасных условиях
- Прогнозная оценка напряженного состояния массива пород на глубоких горизонтах рудных месторождений
- Закономерности формирования напряжений в рудном массиве и породах лежачего бока при образовании выработанного пространства на горизонте
- Рекомендации по обеспечению устойчивости подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений в удароопасных условиях
Состояние изученности вопроса обеспечения устойчивости выработок в удароопасных условиях
Профилактические меры борьбы с горными ударами на стадии проектирования, строительства и эксплуатации горных предприятий - главное направление науки и практики в части обеспечения устойчивости выработок в удароопасных условиях. В последние годы начато широкое использование знаний о напряженно-деформированном состоянии массива пород в районе расположения выработок, полученных методами математического моделирования и геодинамического районирования Г15]]
В процессе ведения горных работ наряду с региональными мероприятиями применяются локальные. Они предназначены для приведения во внеопасное состояние непосредственно забои или участки горных выработок.
Можно сослаться на опыт Кировского рудника ПО «Аппатит», где в удароопасных условиях перешли на применение бетонной крепи толщиной не менее 0,5 м во всех откаточных выработках, скреперных штреках и ортах [11]. Расход бетона на руднике возрос в 4-5 раз, но это дало положительные результаты. На -14 пример, горный удар в январе 1981 г., произошедший на гор. +252 м, вызвал разрушение в незакрепленном скреперном штреке, в то время как в соседнем штреке, закрепленном монолитной бетонной крепью, появились лишь трещины в крепи. Можно сомневаться в правильности выбора оптимального вида крепи, особенно с отнесением в настоящее время с учетом экономических требований. Возможно применение упрочняющей анкерной крепи при условии разгрузки напряжений на контуре выработки.
Для снижения удароопасных ситуаций на Таштагольском руднике институтом ВостНИГРИ предложены технологические мероприятия для обеспечения безопасности и сохранения выработок - создание низкой подсечки с арочным сводом и расположение полевых откаточных выработок, вне зоны влияния очистных работ [17]. В этой работе отсутствуют конкретные параметры сводовых выработок и зон влияния очистных работ. В другой работе [18] для Таштагольского рудника даны закономерности распределения напряжений впереди фронта очистных работ, описываемые определенной зависимостью. Данная зависимость определена для конкретных условий рудника с его первоначальным напряженным состоянием и только по простиранию месторождения.
Вопросу устойчивых форм поперечного сечения горных выработок в скальных горных массивах с высоким уровнем первоначального напряженного состояния посвящено очень много исследований, которые приходят к одному выводу, что в этих условиях оптимальной формой является эллипсовидная [18,19,20,21,22,23,24]. Перечисленные исследования выполнены для различных горнодобывающих регионов и в основном для капитальных выработок без учета закономерностей формирования напряжений в зоне влияния очистных работ.
В работе [25] для крепления горных выработок в удароопасных условиях, для упрочнения пород вокруг выработки рекомендуется анкерная крепь различной конструкции: клинощелевая, распорная и безраспорная. В более сложных условиях применяются замкнутые конструкции крепей: металлической податливой из двутавра или спецпрофиля СВП или железобетонные тюбинговые крепи конструкции КузНИИшахтстроя. Данные крепи рекомендуются в основном для магистральных выработок, подверженных влиянию очистных работ. По легким уп -15 рочняющим анкерным крепям нет четких условий применения в зависимости от напряженного состояния приконтурного массива выработок.
Разработана математическая модель взаимодействия анкерной крепи с массивом пород в тектоническом поле начальных напряжений и получены аналитические решения задач механики подземных сооружений для протяженных эллипсовидных горных выработок Г26]] Данная задача решена для выработок, не подверженных влиянию очистных работ.
В работе [27] рекомендуется при разработке руд на больших глубинах в условиях действия больших тектонических сил ориентировать подготовительные выработки в направлении действия наибольшего горизонтального напряжения, при проведении горизонтальных параллельных выработок выдерживать расстояние между ними не менее 30-40 м (или 4Д), проектировать пересечение выработок в основном под прямым углом. Наиболее благоприятное по устойчивости для глубоких горизонтов поперечное сечение выработок овальной формы.
Для поддержания выработок на больших глубинах возможно применение всех видов крепи - от штанг и набрызгбетона до монолитного бетона и железобетона в зависимости от устойчивости и физико-механических свойств пород, формы проявления горного давления и технико-экономических соображений. Для крепления выработок глубоких горизонтов в удароопасных условиях на зарубежных рудниках применяют все известные виды крепи от штанг до монолитного бетона [28,29]. Идеальная крепь для глубоких горизонтов должна иметь максимальную несущую способность при минимальной деформации, большую податливость при максимальных нагрузках способность оградить выработку от выбро-са породы при горном ударе Так как ни одна крепь не может полностью удовле-творить всем этим требованиям на рудниках ИСПОЛЬЗУЮТ не более ДВУХ видов коєпей: анкерную и металлическую арочную из двутавров П03 и 152 мм) - а затем бетонируют. Крепление металлических рам производят вразбежку (1 5 м) с затяжкой боков и кровли деревом или специальными стальными гофрированными панелями.
Как показывает анализ состояния устойчивости подготовительных и нарезных выработок на рудниках в удароопасных условиях, наиболее опасными явля -16 ются сопряжения этих выработок. Даже в обычных условиях проходка сопряжений очень сложна. Особенно часто неприятные явления возникают при начале проходки двух сопрягающихся выработок, когда целик между ними небольшой, а суммарный пролет двух выработок и разрушенный целик достигают больших размеров. Это ещё сложнее, когда возникает взаимное влияние двух сопрягающихся выработок, за счёт чего целик между ними находится в разрушенном состоянии.
Вопросам проходки и крепления сопряжений в обычных условиях посвящено много исследований [30,31]. Для изучения характера распределения напряжений вокруг сопряжений необходимо решать задачу в объемной постановке. На сегодня есть решения о распределении напряжений вокруг сопряжений выработок методом, граничных элементов [31].
На основании исследований установлено, что концентрация напряжений на породных стенках пересекающихся выработок существенно зависит от угла сопряжения, а также от распределения давления в нетронутом массиве: коэффициенты концентрации в целиках и на стенках основной выработки при преобладающем вертикальном давлении равны 1,4; при преобладающем горизонтальном давлении - 0,9 и 1,0, соответственно. Результаты получены на основании моделирования и решения трехмерных задач. Полученные величины коэффициентов концентрации напряжений могут быть использованы при разработке месторождений в удароопасных условиях. Решение задачи выполнено для конкретных условий напряженного состояния.
Прогнозная оценка напряженного состояния массива пород на глубоких горизонтах рудных месторождений
Одним из основных и наиболее сложных вопросов при освоении глубоких горизонтов месторождений, подверженных горным ударам, является перспективная оценка геодинамического состояния массива горных пород на глубоких горизонтах, не вскрытых горными выработками. Для проектирования горных выработок необходимо располагать информацией о напряженном состоянии горных пород, геологическом строении, свойствах массива и удароопасности пород. Действующая в настоящее время схема, когда выбор мест заложения и направления горных выработок на стадии технических проектов осуществляется по аналогии с условиями вышележащих горизонтов, становится неприемлемой с точки зрения принятия эффективных и безопасных технических решений. Практика показывает, что по мере понижения горных работ на рудниках России усложняются геотехнологические условия [ 39 40 41 ].
С ростом глубины изменяется тектоническое строение массива пород, выявляются новые виды тектонических дислокаций, возрастает тектоническая на-рушенность массива пород. Характер тектонической нарушенности во многом определяется действующим в массиве горных пород первоначальным полем напряжений. Так, например, общее поле напряжений в Североуральском регионе является сжимающим и характеризуется высокой неравнокомпонентностью. Максимальные главные напряжения (C7i) действуют в субширотном направлении в плоскости, близкой к горизонтальной. Минимальные главные напряжения (а2) ориентированы в субмеридиональном направлении. Промежуточные главные напряжения (аз) действуют в направлении, близком к вертикали. Соотношение между главными напряжениями в среднем для СУБРа на глубине 350-500 м составляет сть а2: с з = 1:0,6:0 ,5 и на глубине 700-850 м ст1: сг2: сг3 = з:0,7:0,6.
В целом величины и направления действия первоначальных напряжений в массиве горных пород на рудных месторождениях Урала приведены в работе Зубкова А.В. [38]. Данные, приведенные в табл.2.2, являются первоначальными (гравитационно-тектоническими) напряжениями нетронутого массива горных ПОрОД т е из них исключено влияние горных работ и выработанных пространств
Первоначальное напряженное состояние горных пород в районе месторождений является основой для создания другого поля напряжений, возникающего в процессе ведения очистных работ и выемки рудного тела и образования обрушенного пространства - так называемого вторичного поля напряжений. Как показывает практика ведения горных работ системами с обрушением вмещающих пород, вторичное поле напряжений по величине превышает параметры первоначального поля напряжений. После образования выработанного пространства на горизонте вокруг него происходит перераспределение напряжений и на контуре в массиве образуется область повышенных напряжений вкрест простирания рудного тела и впереди фронта очистных работ на горизонте. Так, на Таштагольском месторождении область повышенных напряжений по направлению вкрест простирания рудной зоны распространяется по простиранию месторождения впереди фронта очистных работ на расстояние до 160м. Максимальные напряжения в ней достигают 4,3 JH и располагаются на расстоянии 30-40 м от обнажений. Очист ные и подготовительные выработки попадающие в эту зону подвергаются воздействию дополнительных нагрузок, обусловленных вторичным полем напряжений.
С позиций геомеханики для данных выработок можно выделить два периода: период проходки, когда они испытывают только первоначальное поле напряжений и период эксплуатации, когда на выработку воздействует дополнительно вторичное поле напряжений. Поэтому при проектировании расчет крепи необходимо производить с учетом вторичного поля напряжений, в то время как отработка рудных тел производится в основном по типовой схеме вскрытия и подготовки шахтного поля на горизонте. На различных этапах отработки рудного тела в пределах горизонта напряженное состояние вокруг выработанного пространства будет изменяться.
Согласно результатам многолетних исследований на Таштагольском руднике [18] установлено, что параметры повышенных напряжений, или вторичного поля напряжений, зависят от размеров отработки на горизонте и, конечно, параметров первоначального поля напряжений. Существует критерий соотношения всех этих величин, превышение которого приводит к появлению удароопасных условий в горных выработках. Поэтому для решения задачи обеспечения устойчивости подготовительных и очистных выработок в удароопасных условиях необходимо знать закономерности распределения напряжений вокруг выработанного пространства на горизонте.
Закономерности формирования напряжений в рудном массиве и породах лежачего бока при образовании выработанного пространства на горизонте
Знание закономерностей формирования напряжений в рудном массиве и породах лежачего бока является необходимым, т.к. на этих участках располагаются очистные и подготовительные выработки. Для того, чтобы обеспечить устойчивость данных выработок на весь период их эксплуатации, необходимо знать, какой максимальный уровень напряжений при соответствующих пролетах будет действовать на контуре выработки. По полученным закономерностям формирования напряжений в рудном массиве и породах лежачего бока можно разработать рекомендации по управлению напряженно-деформированным состоянием вокруг очистных и подготовительных выработок.
На основании полученных данных, приведенных в табл.3.1-3.6, построены зависимости значений главных нормальных напряжений от размеров выработанного пространства на горизонте при углах падения залежи 45 и 30 и уровнях первоначальных напряжений а\ : о2 :а3 =3:2:1, и о\ : а2 :а3 =2:1,2::1
Из полученных зависимостей (рис.3.1-3.8.) можно сделать вывод, что при различных уровнях первоначального напряженного состояния и углах падения залежи, при расстоянии от рудной залежи в породах лежачего бока, равном 0,3Z (Z rop : L =0,3), уровень главных максимальных напряжений становится равным первоначальному уровню напряжений.
Уровень вертикальных главных напряжений на любом удалении от рудной залежи в породах лежачего бока соответствует JH. Исключение наблюдается на контуре выработанного пространства, где уровень вертикальных напряжений может превышать уНв 1,5-2,0 раза.
По простиранию рудной залежи при различных углах падения и первоначальных напряжениях максимальные напряжения, вызванные выработанным пространством, становятся равными первоначальному напряженному состоянию на расстоянии 0,4Z (Хпр : L = 0,4). Максимальный уровень напряжений, вызванных выработанным пространством, превышает уровень первоначальных примерно в 2,0 раза и достигается при удалении от забоя, равном 0,1Z (Znp: L = 0,05).
Снижение уровня первоначального стояния также уменьшает уровень действующих главных нормальных напряжений, вызванных влиянием очистных работ. Снижение соотношения первоначальных главных нормальных напряжений с 3:2:1 до 2:1,2:1 уменьшает уровень главных нормальных напряжений, вызванных выработанным пространством, в породах лежачего бока с 6,0 до 4,0, т.е. в 1,5 раза на контуре рудной залежи, и, соот -ветственно, на контуре рудного массива в 1,5 раза при одном и том же угле падения 45 (рис.3.1,3.6).
Таким образом, уровень первоначального напряженного состояния оказывает влияние на рост вторичных напряжений, вызванных образованием выработанного пространства на горизонте.
Используя данные таблиц 3.2, 3.3, 3.5 и 3.6 и полученные зависимости (рис.3.1-3.8), мы практически построили усредненные коэффициенты концентрации вторичных напряжений, максимальных и минимальных, выраженных в JH (рис.3.9,3.10). Эти графики отражают уровень напряжений в рудном массиве и породах лежачего бока в тектонически напряженном горном массиве наклонно-падающих месторождений в зависимости от размеров выработанного пространства на горизонте. Из полученных зависимостей следует установить, что максимальные вторичные напряжения в рудном массиве достигают на контуре выработанного пространства 6 уНя в породах лежачего бока 5 уН.
Для расчета параметров вторичного поля напряжений в объемном напряженном состоянии можно использовать коэффициенты перехода от плоского напряженного состояния к трехмерному, установленные д.т.н. Зубковым А.В. и приведенные в его работе [38]. Данные зависимости можно использовать для практических целей оценки напряженного состояния рудного массива и пород лежачего бока, где располагаются выработки.
В зависимости от расположения и направления выработки по формулам (3.1 - 3.4) можно определить максимальные и минимальные напряжения, вызванные выработанным пространством, на различной глубине разработки в тектонически напряженном горном массиве. Естественно, что выработки, расположенные в рудном массиве и породах лежачего бока, будут испытывать различные по величине напряжения в зависимости от их пространственного расположения, величины выработанного пространства на горизонте, глубины разработки.
Очистные и подготовительные выработки в значительной степени испытывают влияние очистных работ. Уровень напряжений на контуре выработки будет зависеть от её формы, уровня напряжений, вызванного выработанным пространством, и расположения выработки относительно контура лежачего бока и границы рудного массива.
Устойчивость выработки будет зависеть от уровня напряжений, действующих на её контуре. Если действующие напряжения на контуре равны или более предела прочности пород или руд, в которых пройдена выработка, то выработка, естественно, будет неустойчивой. Устойчивость очистных и подготовительных выработок можно обеспечить путем повышения прочности пород на контуре выработки креплением анкерами до того, как на выработку будут действовать повышенные напряжения, вызванные выработанным пространством. В рудном массиве очистные выработки должны быть закреплены, когда фронт очистных работ находится от выработки на расстоянии 0,4Z (где L - пролет выработанного пространства). Эти данные получены в разделе 3.2. Другой путь обеспечения устойчивости выработки - это условие , чтобы размер выработанного пространства не превышал такого пролета, при котором напряжения, действующие в массиве, на контуре выработки были меньше предела прочности пород.
Для разработки методики оценки устойчивости подготовительных и очистных выработок в процессе ведения очистных работ использованы материалы, приведенные в разделе 3.1, т.е. коэффициенты концентрации напряжений, которые возникают в рудном массиве и породах лежачего бока при образовании выработанного пространства. Дополнительно были использованы результаты моделирования на эластичных фотоупругих материалах, где получены коэффициенты концентрации напряжений на контуре выработок при разных формах выработок, т.е. соотношения её высоты и ширины.
Коэффициенты концентрации напряжений от вертикальных и горизонтальных напряжений приведены в табл.3.7-3.11.
Таким образом, зная уровень напряжений, вызванных ведением очистных работ (табл.3.1-3.6), и используя данные коэффициенты концентрации напряжений (табл.3.7-3.11), можно оценить состояние устойчивости конкретной выработки на любой период ведения очистных работ. Зная первоначальное напряженное состояние на месторождении, фактическое состояние выработанного пространства на горизонте и коэффициенты концентрации напряжений вокруг выработанного пространства (табл.3.6), напряженное состояние рудного массива или пород лежачего бока, где расположены выработки, можно определить по формуле (3.5).
Рекомендации по обеспечению устойчивости подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений в удароопасных условиях
Установленная поддерживающая крепь в этот период во многих случаях будет неэффективна с точки зрения обеспечения устойчивости выработки из-за невозможности создания надёжной связи крепи с окружающим массивом. Поэтому для обеспечения устойчивости подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений в удароопасных условиях необходимо повысить несущую способность или прочность массива пород вокруг выработки. Повышение прочности массива возможно применением анкерной крепи. Исследования, проведенные проф. Г.И. Кравченко, к.т.н. О.В. Тимофеевым и проф. Н.С. Булычёвым, показывают, что при различных параметрах анкерной крепи и начального натяжения можно достигнуть упрочнение окружающего массива вокруг выработки в 1,6 -3,0 раза [62-63]. Особенно эффективным средством повышения прочности массива является натяжение анкера (рис.4.5, г). Так, при начальном натяжении анкеров до 100 кН происходит повышение прочности массива почти в 2 раза (рис.4.5, г).
Поэтому одним из основных и надежных средств повышения устойчивости выработок и их сопряжений в удароопасных условиях является применение анкерной крепи. Причём устанавливать её надо сразу в процессе проходки. Так как в разделе 3 показано, что ведение очистных работ увеличивает уровень напряжений в массиве пород в 2 раза и напряжения на контуре выработки будут близки к пределу прочности пород или превышать его. Практика эксплуатации нарезных выработок подтверждает это; так, скреперные орты на гор.-120 м на шахте «Ес тюнинская» после их проходки были в прекрасном устойчивом состоянии без применения крепления и под влиянием Очистных работ превращались в крайне неустойчивые.
Используя графики, приведенные на рис.4.5, получены коэффициенты упрочнения приконтурного массива подготовительных и нарезных выработок в зависимости от плотности установки анкеров и их предварительного натяжения (табл.4.2 и 4.3).
Анализируя данные табл.4.2 и 4.3, можно отметить, что с увеличением плотности установки анкеров в 2,0 раза несущая способность приконтурного массива пород вокруг выработок увеличивается в 1,4 раза. Особенно эффективно влияет на повышение несущей способности массива пород начальное натяжение анкеров.
Таким образом, при применении анкерной крепи для поддержания подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений можно добиваться различной степени увеличения прочности массива вокруг выработок, изменяя параметры плотности установки и начального натяжения анкеров.
Выбор вида крепи и её параметров необходимо начать с определения напряженного состояния выработки после проходки с учетом действующих первоначальных напряжений в массиве пород (табл.3.7 - 3.11). По месту расположения выработки или сопряжения по формуле (4.1) определяют фактические напряжения на контуре выработки с учетом влияния очистных работ. Необходимо отметить, что выработки и сопряжения, находящиеся в рудном массиве, будут обязательно испытывать максимальное влияние очистных работ, т.е. будут находиться недалеко от границы выработанного пространства. Поэтому фактические напряжения для комплекса нарезных выработок определяют для экстремальных условий.
Транспортный штрек лежачего бока может быть удален от рудной залежи на расстояние, где влияние очистных работ будет минимальным. Моделированием установлено, что очистные работы не оказывают влияния на транспортный штрек на расстоянии по горизонтали от рудной залежи более 0,3Z (где L- пролет выработанного пространства). Поэтому к выбору места расположения транспортного штрека в пределах лежачего бока необходимо подойти с оценкой затрат на проведение увеличенной длины выработки и расходов на ее крепление.
После определения фактических напряжений в месте расположения выработки или сопряжения определяют напряжения на контуре выработки с учетом влияния очистных работ по формулам (3.5) и (3.6). Далее для каждой конкретной выработки или сопряжения рассматривают такие мероприятия по снижению напряжений, как эллипсовидная форма, расположение вдоль простирания макси -98-мальных горизонтальных напряжений, удаление за зону влияния очистных работ, и другие. После определения этих мероприятий выбирают параметр анкерной крепи с учетом сетки расположения или начального натяжения штанг из расчета: СГВтах 0,7[а]м уИЛИ ун, а тax 0,7[а]м-#уИЛИ#ун, (4.6) где Ку, Кун - соответственно, коэффициенты упрочнения массива за счет параметров анкерной крепи или начального натяжения анкеров.
Фактические напряжения на контуре выработки или сопряжения с учетом влияния очистных работ не должны превышать 0,7 предела прочности пород в массиве, упрочненном анкерами, в зависимости от сетки их расположения и начального натяжения. В этом условии не учитывается мероприятия по снижению напряжений, так как их трудно определить количественно, и будем считать, что они пойдут в запас прочности и надёжности. Описанный комплекс мер обеспечения устойчивости подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений сведен в табл.4.4.
Если же анкерной крепью не удается обеспечить условия (4.6), т.е. фактические напряжения будут превышать предел прочности приконтурного массива, то необходимо устанавливать дополнительно к анкерной поддерживающую крепь (металлическую арочную или монолитный бетон-железобетон). Поддерживающая крепь должна быть установлена до начала влияния очистных работ на выработку, т.е. на расстоянии 0,4Z (где L- пролет выработанного пространства).
Из результатов выполненных исследований вытекают и дополнительные технические требования к креплению подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений в удароопасных условиях:
1. Выработка или сопряжение должны быть обязательно закреплены упрочняющей анкерной крепью сразу в процессе проходки, в результате чего создается дополнительный запас прочности массива вокруг выработки (рис.4.6,4.7 и 4.8).
2. Дополнительное крепление в виде поддерживающей крепи возводится до начала влияния очистных работ на выработки, т.е. на расстоянии 0,4L ( где L -пролет выработанного пространства).
