Введение к работе
Актуальность темы. Для удовлетворения постоянно растущих потребностей рынка сырьевых ресурсов в количестве и качестве природного горнорудного сырья необходимо дальнейшее совершенствование технологии разработки рудных месторождений, в том числе с весьма сложными горно-геологическими и горнотехническими условиями эксплуатации рудников (глубина более 600м, геологические нарушения, повышенное неравномерное тектоническое напряженно-деформированное состояние горного массива). Техногенное воздействие на рудные тела в этих условиях является причиной следующих негативных явлений: разрушений подготовительных горных выработок, геодинамической активности в форме горных ударов, землятресений при массовых взрывах (рудники Колар в Индии, Витватерсранда – Южная Африка, Восточные Альпы, Австрия и месторождения Северного Урала, Хибин, Горной Шории и Хакасии).
Однако результаты научно-исследовательских работ предшественников и нормативных документов не в полной мере обеспечивают геомеханическое обоснование безопасной подземной разработки месторождений полезных ископаемых в сложных условиях.
Основным направлением работы рудников в указанных сложных условиях при существующих и новых технологиях нужно обоснование геомеханических параметров отработки, адаптированных к сложным горно-геологическим и горнотехническим условиям и обеспечивающих промышленную безопасность, снижение затрат на добычу полезного ископаемого подземным способом, особенно на рудных удароопасных месторождениях в горно-складчатых областях. Создание безопасной отработки возможно на базе закономерностей взаимодействия технологических, геомеханических и организационных процессов. Однако научные исследования по выявлению новых закономерностей, необходимых для обоснования геомеханических параметров безопасной отработки удароопасных месторождений, в настоящее время остаются мало известными.
Поэтому совокупность технологических решений по обоснованию геомеханических параметров взаимодействия технологических и геодинамических процессов для создания безопасной отработки рудных удароопасных месторождений в сложных природных условиях, имеет важное значение для горнорудной промышленности.
Целью работы является геомеханическое обеспечение безопасной отработки рудных удароопасных месторождений посредством направленного изменения параметров вторичного пространственного напряженно-деформированного состояния горного массива.
Основная идея работы заключается в использовании установленных закономерностей формирования геомеханических параметров в зависимости технологических процессов с учетом вторичного полного тензора напряжений и деформаций, возникающих под влиянием системы горных выработок, первичных тектонических и гравитациионных сил.
Задачи исследований:
установить зависимость изменения параметров вторичного напряженно-деформированного состояния на периферии геологи-ческих блоков, в зонах разрывных нарушений и пересечения рудной залежи интрузией при разной глубине разработки;
установить зависимости предела прочности пород от глубины разработки в зонах влияния горных выработок при отработке рудных месторождений полезных ископаемых на участках вторичных напряжений неактивных и динамически активных магматических массивов;
выявить закономерности распределения коэффициентов удароопасности горных пород на разных глубинах месторождения при сплошной выемке рудного тела по простиранию;
разработать методику количественного прогнозирования по вторичным параметрам геомеханических процессов в массивах горных пород при отступающем порядке отработки рудных залежей;
разработать классификацию неоднородных пород массива по динамической удароопасности и типу месторождения для обоснования геомеханических параметров безопасной отработки рудных удароопасных месторождений;
Методы исследования включают:
теоретическое обобщение и научный анализ отечественного и зарубежного опытов разработки месторождений полезных ископаемых в динамически активных районах, обработку результатов методами математической статистики и корреляционного анализа с использованием ЭВМ;
лабораторные исследования прочностных, деформационных характеристик, хрупкости по степени удароопасности, пластичности горных пород;
натурные эксперименты для установления параметров вторичного напряженно-деформированного состояния горных пород при вскрытии вертикальными стволами методом частичной разгрузки на большой базе, отрабатываемого рудного и породного массивов при подготовке очистных блоков и выемке с помощью методов щелевой разгрузки и полной по схеме Лимана в варианте УК-«Тензор»;
измерение параметров вторичного поля напряжений и изучение характера сдвижения толщи горных пород вокруг выработок, и деформаций их контуров при добыче полезных ископаемых, строительстве и эксплуатации сооружений с помощью наблюдательных станций контурных и глубинных реперов;
измерение давления на крепь со стороны вмещающих пород и реакции крепи с использованием тензометрических платформ закладочного типа.
Основные научные положения, защищаемые автором:
– в пределах рудного тела и на контакте залежи и боковых пород направления вторичных максимальных горизонтальных напряжений сжатия в неоднородном массиве железорудных месторождений совпадают с первичными тектоническими и гравитациионными силами, а при наличии в рудном теле разрывных нарушений направление этих напряжений совпадает с простиранием сместителя.
– коэффициенты запаса прочности горных пород в интервале 200 1200 м глубин залегания рудных месторождений, определяемые отношением разности вторичных предельных и усредненных значений нормальных напряжений к максимальному касательному напряжению, на участках неактивных по динамическим событиям убывают, а на динамически активных – возрастают за счет минерального и химического состава пород магматических массивов, обеспечивающих зонирование видов горных работ посредством разведения во времени и пространстве.
– коэффициенты удароопасности в краевой части залежи при разработке месторождения сплошной выемкой определяются по соотношениям минимальных и максимальных прогнозных значений: увеличиваются до 0,85 на динамически опасных участках и уменьшаются до 0,70 на неопасных с периодом цикличности около 140 м по глубине.
– методика количественного прогнозирования напряжений сжатия в пределах -32,4-113,4 МПа и деформаций растяжения 0,00020,0008 в массивах горных пород, обеспечивает прогноз геомеханических параметров безопасного ведения горных работ в этажах при отступающем порядке выемки руды и базируется на закономерностях распределения коэффициентов хрупкости, пластичности, удароопасности и вторичных техногенных напряжений при разной площади отработанных блоков.
– классификация неоднородных пород массива основанна на следующих многоуровневых классификационных признаках: по динамической удароопасности породы подразделяются на два класса: упруго-пластического и упруго-хрупкого разрушения; по напряженному состоянию силовых полей – на три группы: тектонические, гравитационные (первичные) поля и техногенные (вторичные); по удароопасности при разрушении – на шесть категорий: слабо удароопасные, умеренно удароопасные, средне удароопасные, удароопасные, очень удароопасные, весьма удароопасные; по внешним признакам форм проявления горного давления, обеспечивает количественное прогнозирование динамических проявлений от свойств горных пород.
Достоверность научных положений подтверждается:
применением современных методов: щелевой, частичной разгрузок на большой базе и полной по схеме Лимана в варианте УК-«Тензор», натурных наблюдений: станций контурных, глубинных реперов и тензометрических платформ закладочного типа и обработкой экспериментальных данных с получением эмпирических зависимостей, обеспечивающих точность измерений;
результатами лабораторных испытаний (более 5 тыс.), проведенными при изучении физико-механических свойств основных типов горных пород и оценкой их удароопасности с помощью прибора УМГП-3 (на 5 рудниках и 32 горизонтах);
удовлетворительной сходимостью (до 85%) расчета и результатов инструментальных и шахтных измерений в сложных условиях при техническом процессе работ;
положительными результатами реализации монолитной бетонной крепи с податливыми (из шлакоблоков и керамзита) и жесткими (рабочей и распределительной арматуры диаметрами 16 и 32 мм) элементами в ее конструкции для технологических решений и геомеханического обоснования безопасной эксплуатации стволов на месторождениях Горной Шории и Хакасии.
Научная новизна работы и ее отличие от работ предшественников заключается в:
– выявленном диапазоне величин и азимутов осей вторичных главных нормальных напряжений по простиранию - мах и вкрест простирания рудных тел - мin в зоне влияния одиночного вертикального ствола на периферии геологических блоков, в зонах геологических нарушений и пересечения рудной залежи интрузией : мах= - 5,8Н ± 1,9 Н МПа – СВ (А=24 ±15 ); мin= - 3,9 Н ± 1,6 Н МПа – ЮВ (А=114 ±15 , где - плотность вышележащих пород, н/м3, Н - глубина залегания пород, м;), отличающихся от ранее обоснованного проф. Б.В.Шреппом тем, что в геомеханическом поле преобладает максимальная по величине тензора напряжений, которая ориентирована по азимуту линии падения 24-39 и имеет угол падения 15 на север относительно вертикали, а минимальная – субширотная компонента горизонтальных напряжений ориентирована по линии простирания А=114-129 и имеет угол падения 15 на северо-запад относительно горизонта, и соответствует массе налегающих пород – Н, а диапазон наклона двух компонент горизонтальных напряжений составляет 1,61,9 Н;
– установлении полиномиальной зависимости отношения разности предельных и усредненных значений нормальных напряжений к максимальному касательному напряжению с глубиной разработки ведения горных работ на участках вторичных напряжений неактивных и динамически активных магматических массивов;
– доказательстве волнообразного характера изменения коэффициентов удароопасности пород в зависимости от их хрупкости, пластичности и петрографического состава минералов при сплошной выемке по простиранию рудного тела;
– установленном росте коэффициентов концентрации вторичных горизонтальных нормальных напряжений в целиках при отступающем порядке отработки рудных залежей с учетом глубины разработки;
– разработке классификации массивов неоднородных пород по динамической удароопасности в широком диапазоне (К1=0,711,0; К2=0,030,32; Кпл=1,01,29) и типу месторождений для обоснования безопасной отработки;
Личный вклад автора состоит в:
обобщении исходной геомеханической и горно-геологической информации об удароопасных рудных месторождениях Сибири;
исследовании процессов разрушения горных пород, основанных на хрупкости и пластичности, для управления геомеханическими процессами при безопасной отработке;
анализе и обобщении лабораторных испытаний физико-механических свойств изверженных пород и оценке их удароопасности;
разработке методики количественного прогнозирования коэффициентов концентрации вторичных горизонтальных напряжений в породах и рудных залежах целиков при отступающем порядке отработки с учетом глубины разработки;
установлении параметров вторичного напряженно-деформированного состояния массива вне и в зоне влияния очистных работ с учетом воздействия геодинамических процессов на месторождениях Горной Шории и Хакасии на периферии геологических блоков, в зонах геологических нарушений и пересечения рудной залежи интрузией;
выявлении основных закономерностей изменения вторичных напряжений в массиве горных пород при отработке крутопадающих месторождений с глубиной разработки;
установлении закономерностей волнообразного характера изменения коэффициента удароопасности пород в зависимости от спектра критериев их хрупкости, пластичности и петрографического состава массива месторождения при сплошной выемке по простиранию;
разработке классификации коэффициентов хрупкости и пластичности по динамической удароопасности на разных месторождениях Сибири для обоснования безопасной отработки;
Практическая ценность работы состоит в том, что результаты позволяют:
развивать методы и средства определения и контроля вторичных напряжений и деформаций в горных породах;
разрабатывать методические рекомендации по предупреждению динамических явлений горно-тектонического типа на железорудных месторождениях Сибири;
разрабатывать временное руководство по сооружению вертикальных стволов при повышенном горном давлении и удароопасности на рудниках Сибири;
внедрять мероприятия в техническое производство по безопасной отработке для удароопасных месторождений.
Реализация работы в промышленности. Результаты исследований и проектных разработок: «Исследование и обоснование конструктивных параметров крепи, армировки и условий безопасной проходки вертикальных стволов при повышенном горном давлении и удароопасности на рудниках Сибири», «Геомеханическое обоснование безопасной эксплуатации стволов и сооружений комплекса подземного дробления (КПД) на Абаканском руднике» доведены до практического использования и внедрены в практику проектирования, строительства и отработки рудных удароопасных место-рождений.
По заданию горнодобывающих предприятий при участии автора были подготовлены заключения и рекомендации по оценке удароопасности и прочности горных пород Абаканского, Краснокаменского, Таштагольского, Казского и Шерегешевского месторождений. Совокупность технологических решений: выбор оптимальной площади отработанных блоков в этажах при отступающем порядке выемки руды по зависимостям параметров блока от коэффициентов концентрации напряжений в блоках; на закономерностях деформирования стенок вертикального ствола и реализаций монолитных бетонных крепей с податливыми и жесткими элементами. Указанные зависимости и закономерности отражены в научных положениях, новизне, выводах и рекомендациях диссертации, экономический эффект от внедрения которых составил более 365 тыс. рублей.
Отдельные рекомендации об «Оценке напряженно-деформированного состояния массива горных пород и его удароопасности с увеличением глубины ведения горных работ» в исследованиях автора нашли отражения в геомеханических обоснованиях к регламентам на отработку глубоких горизонтов Таштагольского, Казского, Абаканского, Краснокаменского и Горно – Шорского филиалов ОАО «Евразруда» и использованы проектным институтом «ОАО» Сибгипроруда при составлении проектов отработки глубоких удароопасных горизонтов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и были одобрены на горной секции научно-технического совета ВостНИГРИ, техсоветах Таштагольского, Казского, Абаканского, Горно – Шорского филиалов ОАО «Евразруда», 3й Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 1998), Всероссийской научно-методической конференции «Проблемы качества высшего профессионального образования» (Рубцовск, 2000), 7й Международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности в 3 тысячелетии» (Новокузнецк, 2000), Международной научно-практической конференции «Современные перспективные технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2001), 9й Международной конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2002), 8й Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 2003), 9й Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 2004), 10й Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 2005).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 34 печатных работах, из них 30 публикаций, 4 патента на изобретение, отражают основное содержание диссертации, в том числе в изданиях по рекомендациям ВАК – 28.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, изложенных на 340 страницах машинописного текста, 72 рисунков, 42 таблиц, заключения, списка литературы из 214 наименований и 6 приложений.
