Введение к работе
Актуальность работы. Яковлевское железорудное месторождение является уникальным как по запасам богатой руды, так и по сложности геологических, горнотехнических и гидрогеологических условий.
В геологическом строении месторождения выделяются два различных генетических комплекса пород: докембрийский кристаллический фундамент и перекрывающая его мощная толща осадочных пород горизонтального залегания. Кристаллические породы представлены плагиогранитами и метаморфическими породами – сланцами, железистыми кварцитами, филлитовыми сланцами. Богатые руды залегают среди выветренных железистых кварцитов на глубине 480-590 м в виде мощной, до 300 м, полосы клинообразной формы с углом падения 60-700.
Гидрогеологические условия месторождения сложные. В разрезе прослеживается семь водоносных горизонтов. Залежь богатых руд на участке первоочередной отработки дренирована сетью транспортно-дренажных ортов и дренажных скважин.
Необходимость сохранения водозащитных свойств покрывающей рудной и породной толщи обуславливает высокие требования к качеству подготовительных, очистных и закладочных работ. На всех этапах добычи руды должно обеспечиваться эксплуатационное состояние сопряжений капитальных и подготовительных выработок в рудном массиве.
Особо сложная ситуация на сопряжениях горизонтальных выработок. В этой связи прогнозирование устойчивости рудных обнажений и выбор типов и параметров крепи сопряжений выработок, соответствующих горно-геологическим и горно-техническим условиям месторождения, является важнейшей задачей, имеющей первостепенное значение для обеспечения безопасной и устойчивой производственной деятельности рудника.
Значительный вклад в исследование процесса деформирования и разрушения пород вокруг горных выработок внесли: Ардашев К.А., Баклашов И.В., Булычев Н.С., Долгий И.Е., Зубов В.П., Картозия Б.А., Ковалев О.В., Козырев А.А., Огородников Ю.Н., Протодьяконов М.М., Протосеня А.Г., Руппенейт К.В., Смирняков В.В., Тимофеев О.В., Трушко В.Л., Фотиева Н.Н., Цимбаревич П.М., Шик В.М. и многие другие.
Проблемой обеспечения устойчивости сопряжений горных выработок занимались Данилкин М.С., Константинова С.А., Минин В.А., Мирзаев Г.Г., Найдов М.И., Першин В.В., Павлова Л.Д., Писляков Б.Г., Сыркин П.С., Трушко В.Л., Широков А.П. и другие.
Цель диссертационной работы: обеспечение эксплуатационного состояния сопряжений горизонтальных выработок в рудном массиве.
Идея работы: выбор рациональных типов и параметров крепи сопряжений производится на основе особенностей деформирования рудного массива с учетом последовательности рассечки сопряжений.
Основные задачи исследования:
- проведение натурных наблюдений за смещениями контуров выработок на сопряжениях;
- разработка геомеханической модели деформирования рудного массива, вмещающего сопряжения выработок;
- разработка методики оценки устойчивости рудного обнажения и нагрузок на крепь сопряжений выработок;
- разработка рекомендаций по креплению сопряжений выработок в рудах с низкой устойчивостью.
Методы исследований. Принята комплексная методика исследований, включающая:
- обследование вывалообразований, произошедших на сопряжениях;
- шахтные наблюдения за смещением рудного массива на сопряжениях;
- определение прочностных свойств вмещающего массива в шахтных условиях методом сверления;
- математическое моделирование напряженно-деформированного состояния рудного массива в окрестности сопряжений выработок.
Научная новизна работы:
- установлены закономерности распределения напряжений в рудном массиве, вмещающем сопряжения выработок, на базе разработанной пространственной конечно-элементной нелинейной геомеханической модели, учитывающей прочностные и деформационные характеристики пород, напряженное состояние нетронутого массива, геометрические размеры, форму выработок и последовательность рассечки сопряжения;
- выявлены экспериментально-аналитические зависимости смещений рудного массива на сопряжениях горных выработок, в частности, наибольшие величины смещений имеют место в кровле и почве и увеличиваются по сравнению с их значениями на контуре одиночной выработки в 1,34 раза для одностороннего сопряжения и в 1,57 раза для двухстороннего.
Защищаемые научные положения:
- разрушение массива на сопряжениях горизонтальных выработок в слабых рыхлых рудах происходит в форме вывала, максимальная высота свода разрушения находится в районе геометрического центра сопряжений и для односторонних сопряжений составляет 1,52 м, а для двухсторонних - 34 м. На односторонних сопряжениях разрушение боковых целиков со стороны сопрягающейся выработки составляет 0,51,5 м, с противоположной стороны разрушение незначительно;
- пространственная геомеханическая модель рудного массива, вмещающего сопряжения горных выработок, должна учитывать, кроме прочностных и деформационных характеристик рудного тела, напряженное состояние нетронутого массива, взаимовлияние сопрягающихся выработок и последовательность рассечки сопряжения;
- расчет нагрузок на крепь сопряжений выработок в слабых рудах следует производить по выявленной экспериментально-аналитической зависимости, базирующейся на теории свода; устойчивое состояние сопряжений можно обеспечить с помощью арочного перекрытия на камерных рамах.
Практическая значимость работы:
- разработанное автором “Устройство для определения прочности горных пород в массиве” принято геологической службой Яковлевского рудника;
- разработана методика расчета нагрузок на крепь сопряжений выработок в рыхлых рудах;
- определены рациональные типы и параметры крепи для поддержания сопряжений выработок, пройденных в рыхлых рудах.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций: подтверждается значительным объемом экспериментальных натурных наблюдений за состоянием крепи сопряжений и деформациями вмещающих пород, моделированием напряженно-деформированного состояния (НДС) массива вокруг выработок методом конечных элементов.
Апробация диссертации. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных конференциях молодых ученых и студентов СПГГИ(ТУ) им. Г.В. Плеханова “Полезные ископаемые России и их освоение” (Санкт-Петербург, 2005, 2006, 2007); конференции молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (2006); научно-техническом совете СПГГИ (ТУ).
Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований, в проведении натурных исследований, обработке полученных данных на ЭВМ, анализе натурных данных, создании конечно-элементных моделей для исследования особенностей формирования напряженно-деформированного состояния вокруг сопряжений выработок, выполнении численных экспериментов и разработке практических рекомендаций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ в вузовских и межвузовских сборниках научных трудов и в соавторстве с Максимовым А.Б. получен патент РФ на “Устройство для определения прочности горных пород в массиве” (№2303251 от 22.03.2006).
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 80 наименований, 61 рисунок, 8 таблиц.
