Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Постановка задачи исследований 9
1.1. Общая характеристика и условия применения системы разработки горизонтальными слоями с закладкой 9
1.2. Анализ опыта разработки Орловского месторождения системой горизонтальных слоев с нисходящей выемкой и закладкой ... 17
1.3. Цель, задачи исследований 34
ГЛАВА 2. Исследование геомеханических факторов, определяющих устойчивость искусственного массива на орловском руднике 43
2.1. Проявление горного давления на Орловском месторождении 43
2.2. Сдвижение горных пород на Орловском месторождении 45
2.3. Исследования прочностных и упругих свойств массива горных пород 56
2.4. Лабораторные исследования прочностных и упругих свойств закладки 65
ГЛАВА 3. Исследование характера процесса обрушения искусственной кровли численным моделированием 75
3.1. Основные параметры геомеханической модели массивов Орловского месторождения 75
3.2. Оценка достоверности результатов численного моделирования 77
3.3. Характер процесса обрушения искусственной кровли по результатам численного моделирования 83
3.4. Жесткопластическая модель процесса обрушения искусственной кровли 94
3.5. Обоснование критерия устойчивости искусственной кровли 96
3.6. Рекомендации по повышению устойчивости искусственной кровли 98
ГЛАВА 4. Исследование характера нагруженности крепи очистных выработок 102
4.1. Теоретические основы расчета крепей 102
4.2. Исследование характера нагруженности крепи и разработка рекомендаций по снижению затрат на крепление 106
Заключение 112
Список использованной литературы 116
- Анализ опыта разработки Орловского месторождения системой горизонтальных слоев с нисходящей выемкой и закладкой
- Лабораторные исследования прочностных и упругих свойств закладки
- Характер процесса обрушения искусственной кровли по результатам численного моделирования
- Исследование характера нагруженности крепи и разработка рекомендаций по снижению затрат на крепление
Анализ опыта разработки Орловского месторождения системой горизонтальных слоев с нисходящей выемкой и закладкой
Орловское месторождение отрабатывается одной из наиболее дорогих и трудоемких технологий - слоевой системой разработки с твердеющей закладкой в нисходящем порядке. Это вызвано большой глубиной залегания, высокой ценностью руд, низкой их устойчивостью и пожароопасностью отдельных сортов руд. По этим причинам применявшаяся ранее камерная (подэтажно-камерная) система разработки с закладкой выработанного пространства была полностью вытеснена слоевой системой разработки. Практически все очистные работы ведутся под искусственной кровлей из твердеющей закладки. Кроме того, почти 40% очистных выработок крепятся металлической арочной крепью, так как качество закладки подвержено большим колебаниям. В итоге, общие затраты на управление горным давлением (закладка и крепление) достигают почти 25-28% от полной себестоимости добычи руды, в том числе: закладка - 22-25%; крепление - 3-6%. Рост объемов и интенсивности горных работ, увеличение глубины разработки месторождений и горного давления, включая динамические формы его проявления, обостряют проблему предупреждения травматизма от обрушения горных пород и закладочного массива.
Орловское месторождение расположено в юго-западной части Золотушинско-Орловского рудного поля, в висячем боку Иртышского глубинного разлома. Структура месторождения представляет собой тектонический блок горст-антиклинарного типа. Восточной границей месторождения служит крутопадающий субмеридиональный Восточный разлом, с севера месторождение обрамлено массивом гранодиоритов, юго-западной границей является Березовский надвиг.
Рудные тела представлены "слепыми" залежами, залегающими на глубине от 7 0 до 12 0 0м. Продуктивный контакт и подстилающая рудную зону толща осадочных пород осложнены дополнительной складчатостью и двумя основными системами тектонических нарушений: субмеридионального и субширотного направлений.
В пределах Орловского месторождения разведаны рудные залежи Основная, Новая, Громовская и ряд обособленных линз. Основная залежь состоит из четырех сопряженных через тектонические нарушения рудных тел (№№ 1, 2, 3, 4), залегающих на глубине от 70 до 700 м. Залежь имеет северо-восточное простирание.
Первое рудное тело расположено в прикупольной части антиклинальной складки на глубине 70-175 м и выходит непосредственно под рыхлые отложения. Максимальная мощность (44 м) отмечается в южной части, в направлении к северному флангу рудное тело выклинивается. Длина по простиранию - 300 м, по падению (в среднем)- 145 м (максимальная до 180 м) . Средняя мощность - 19 м, угол падения - 30-65 на запад.
Второе рудное тело делится на две части: пологую и крутую. Крутопадающая часть Второго рудного тела имеет длину по простиранию около 300 м, по падению 180-200 м, мощность от 1 до 15 м при средней 8 м. Основная часть запасов Второго рудного тела (95%) находится в нижней пологой части, залегающей на глубинах 350-700 м от поверхности.
Рудное тело падает на запад под углом 20-45. Длина его по простиранию составляет 660 м, по падению -около 400 м, средняя мощность - 35 м. Третье рудное тело локализуется на продолжении Второго рудного на юго-запад. По простиранию разведано на 250 м при ширине 200 м, залегает полого с углами падения 20-45, средняя мощность - 16,2 м. В генеральном подсчете запасов Третье рудное тело было объединено с Четвертым.
Промышленный тип месторождения - колчеданно-полиметаллический. На стадии детальной разведки и при эксплуатации на Орловском месторождении выделялись сначала 11, затем 7 природных типов руд. Институтом ВНИИцветмет в 198 6 г. были проведены исследования по уточнению природных и технологических типов РУД на Орловском месторождении и предложена следующая классификация природных типов: барит-полиметаллические; медно-цинковые; сплошные и вкрапленные медно-колчеданные. В основу данной классификации положено содержание основных компонентов: медь, свинец, цинк (табл. 3).
Лабораторные исследования прочностных и упругих свойств закладки
Информацию о горизонтальных смещениях толщи пород можно получить по результатам профилировок шахтных стволов, которые можно рассматривать, как своеобразные вертикальные профильные линии. 15.04.2000 г. проведена профилировка проводников ствола шахты Орловская прямыми промерами расстояний от отвесов до проводников. Промеры делались на отметках ярусов с шагом 4 м. Горизонтальные смещения вкрест простирания рудного тела определялись по разрезам 1-І (по проводникам 1 и 2 клетьевого отделения) и II-II (по проводникам 3 и 4 противовесного отделения). На рис. 17 представлено среднее положение оси ствола шахты «Орловская» по четырем проводникам в разрезе вкрест простирания рудного тела.
Максимальные смещения в пределах 3 0+35 мм в сторону выработанного пространства зарегистрированы в интервале глубин 200+320 м от земной поверхности на отметках от +75 м (середина высоты 3 горизонта) до -45 м (5 горизонт) . В этом интервале глубин в разрезах от 1с до Зс, где расположен ствол шахты «Орловская», очистные горные работы не велись, т.к. в этом месте находится породный массив, разделяющий первое и второе рудные тела.
Чтобы выявить причину данных смещений, необходимо иметь в виду, что линии максимальных сдвижений массива горных пород и в висячем боку и в лежачем боку начинаются от середины пролета подработки. Угол максимальных сдвижений зависит от природного поля напряжений, существовавшего в массиве до начала горных работ. При коэффициенте бокового давления в массиве X 1 (горизонтальное давление больше вертикального) линия максимальных сдвижений отклоняется от нормали к падению рудного тела в сторону падения в висячем боку и в сторону восстания в лежачем боку. При X 1 (горизонтальное давление меньше вертикального) линия максимальных сдвижений отклоняется от нормали к падению рудного тела в сторону восстания в висячем боку и в сторону падения в лежачем боку. При гидростатическом распределении природных напряжений в массиве (X = 1) максимальные сдвижения развиваются во вмещающей толще пород по нормали к падению рудного тела.
По ряду признаков (в основном, по характеру проявлений горного давления в подготовительных и очистных выработках) природное поле напряжений в массиве Орловского месторождения близко к гидростатическому, т.е. X 1. В этом случае максимальные сдвижения массива должны развиваться по нормали к наклонному пролету подработки.
Из середины пролета подработки построены нормали п к наклонным границам выработанного пространства. По данным направлениям сдвижение вмещающих пород развивается наиболее интенсивно. Следовательно, максимальное оседание земной поверхности должно быть в районе реперов 10-11 по 0 линии ортов. По результатам натурных наблюдений максимальное оседание фиксировалось на репере 10. Максимальные горизонтальные смещения массива по линии ствола шх. «Орловская» должны наблюдаться и фактически наблюдаются между 4 и 5 горизонтами.
Таким образом, наблюдениями за сдвижением земной поверхности на Орловском месторождении нами установлено, что максимальное сдвижение в налегающей толще пород развивается по нормали к падению рудных тел. Юном Р. Б. было предложено решение (1), отражающее зависимость угла отклонения линии максимального сдвижения от нормали к падению рудного тела [89]:
Характер процесса обрушения искусственной кровли по результатам численного моделирования
Максимальные смещения непосредственной искусственной кровли, измеренные в натурных условиях по сохранившимся на момент практически полной отработки слоя реперам, составили порядка 0,1 м. На рис. 2 9 показаны расчетные смещения искусственной кровли 3 0 слоя, глубина залегания которого в модели соответствует глубине, на которой производились натурные наблюдения за оседанием искусственной кровли в блоке 12с.
Как видно из рисунка, смещения кровли 30 слоя находятся в пределах 59-119 мм. Таким образом, пределы изменения величин оседаний искусственной кровли, полученные экспериментально в натурных условиях и численным моделированием, практически совпадают. Этот факт свидетельствует об адекватности численной геомеханической модели реальным условиям разработки Орловского месторождения.
Косвенным критерием достоверности модели является удовлетворительное соответствие расчетных и наблюдаемых на практике разрушений массива по масштабам, формам, условиям проявления и местам локализации. К косвенным критериям можно отнести так называемые купола обрушения пород, наблюдаемые в натурных условиях при ведении горных работ в непосредственной близости контакта рудного тела и пород висячего бока. В модели эти купола выглядят как ограниченные по размерам участки массива на контакте пород висячего бока и рудного тела, полностью утратившие устойчивость. Характерный пример таких зон, полученных расчетом, приведен на рис. 30.
Таким образом, результаты моделирования можно считать в достаточной степени достоверными и по соответствию расчетных и наблюдаемых смещений массива, и по качественному совпадению наблюдаемых в натуре процессов разрушения массива в висячем боку залежи.
Разработка Орловского месторождения ведется горизонтальными слоями с нисходящим порядком выемки. По мере отработки массив руды заменяется искусственным массивом из закладки. Как было установлено, жесткости рудного и искусственного массивов, выраженные через эквивалентные модули деформации, составляют соответственно 3,б 103 МПа и 0,12 103 МПа. Т.е. жесткость искусственного массива в 30 раз меньше, чем жесткость массива руды. Поэтому вокруг отработанной части рудного массива развивается сдвижение вмещающих пород, ориентированное, в основном, по нормалям к границам отработанного и заложенного выработанного пространства. Общая картина смещений массивов в процессе отработки месторождения показана на рис. 31. Как и следовало ожидать, зоны смещений, направленных к центру выработанного пространства, развиваются и в висячем и в лежачем боках рудной залежи. Зона сдвижения в висячем боку имеет размеры на порядок больше, чем в лежачем боку. Величины смещений висячего бока также существенно выше, чем в лежачем боку. Это вполне логично, т.к. смещения лежачего бока имеют тенденцию к поднятию и происходят против направления действия силы тяжести.
Сближение (конвергенция) висячего и лежачего боков рудной залежи приводит к объемному сжатию искусственного массива. Максимальные смещения породных массивов наблюдаются в центральных частях наклонных пролетов подработки висячего и лежачего боков. Там же достигают максимума величины сжатия искусственного массива. В результате центральная часть искусственного массива оказывается раздавленной горным давлением. На рис. 31 и 32 раздавленный искусственный массив, потерявший свою связность в условиях объемного сжатия, показан черным цветом. Следует полагать, что в раздавленном искусственном массиве в верхней части отработанного рудного тела смещения выходят за пределы упругих. Т.е. раздавленный горным давлением искусственный массив деформируется в режиме пластического течения.
Упругое состояние сохраняют нижележащие слои закладки, примыкающие к отрабатываемому слою. Это связано с тем, что вблизи границы выработанного пространства величины конвергенции висячего и лежачего боков еще не настолько велики, чтобы раздавить закладку.
В процессе горных работ разрушается не только искусственный массив на верхних горизонтах, но и вмещающие породы в висячем и лежачем боках. На рис. 32 показаны расчетные зоны разрушений массивов.
Исследование характера нагруженности крепи и разработка рекомендаций по снижению затрат на крепление
Из полученных результатов сделан вывод: неравномерность распределения смещений кровли (т.е. неравномерность нагруженности крепи) зависит от положения точки относительно центра выработанного пространства. Плотность установки крепи необходимо определять с учетом неравномерности нагруженности крепи.
По найденной экспериментально величине смещений иЛіах=: 0, 12 0 м по данным табл. 17 для ширины очистной заходки а = 4 м находим величину нормативной удельной нагрузки Рн = 57 кПа/м. Тогда по формуле (31) определяем расчетную нагрузку Р на 1 пог.м выработки со стороны кровли и почвы:
Несущая способность Ns рамной металлической крепи из спецпрофиля СВП, используемой на Орловском руднике, определена в «Инструкции по выбору типов и параметров крепи...» [34] и приведена в табл. 19. На Орловском руднике используют крепь из спецпрофиля СВП-22 с несущей способностью Ns = 0,3 0 МН. Таким образом, для надежного поддержания выработок плотность установки рамной металлической крепи из спецпрофиля СВП-22 должна быть не менее 1 рамы на 1 м выработки. Как было показано выше (рис. 45), величины смещений кровли, а, следовательно, и нагрузок на крепь, снижаются по мере удаления от центра выработанного пространства. Поэтому предлагается определять нагрузки на крепь Р (МН) в зависимости от величины смещения кровли и (м) , используя зависимости (33) и (34), по формуле: От величины нагрузки на крепь зависит плотность установки крепи (количество рам на 1 м выработки), поэтому плотность установки следует определять с учетом снижения нагрузок на крепь по мере удаления от центра выработанного пространства. Пример такого расчета для блока с пролетом по простиранию 100 м приведен в табл. 20. В целом по Орловскому руднику возможно снижение расходов на крепление на 20- -30%. Расходы Орловского рудника на приобретение спецпрофиля СВП-22 составляют в среднем 1100 тыс. $ США в год. Следовательно, за счет установки крепи с рациональной плотностью, соответствующей закономерностям смещений кровли, возможно снижение затрат на крепление очистных выработок на 2 2 0-ьЗЗО тыс. $ США в год. В диссертации дано новое решение актуальной задачи управления искусственной кровлей, обеспечивающее повышение ее устойчивости за счет перекрещивающегося расположения очистных выработок в смежных по высоте слоях и снижение затрат на крепление за счет изменения плотности установки крепи по мере удаления от центра выработанного пространства, основанного на установленных закономерностях смещений кровли. Основные научные и практические результаты работы: 1. Предложен новый способ оценки модуля деформации трещиноватого массива горных пород обратным расчетом по измеренным в процессе отработки слоя величинам смещений рудной кровли очистных выработок. 2 . Обработкой результатов натурных исследований установлены: - эквивалентный модуль деформации трещиноватого массива горных пород Ем=(3,6+3, 7) -103 МПа и соотношение модуля деформации массива горных пород и модуля упругости пород в образцах Ем/Е0=1/20, - эквивалентный модуль деформации неоднородного искусственного массива Еи=0,12-Ю3 МПа и соотношение модулей деформации искусственного массива и массива горных пород Еи/Ем=1/3 0, что позволяет рассматривать выработанное пространство, заложенное твердеющей закладкой, как мягкое включение в более жесткую упругую среду. 112 . Предложена новая жесткопластическая модель обрушения искусственной кровли, отличающаяся наличием в искусственном массиве раздавленной горным давлением и находящейся в пластичном состоянии закладки верхних горизонтов, под воздействием которой нижележащие жесткие слои закладки выдавливаются в очистные выработки отрабатываемого слоя. 4 . Обоснована целесообразность перекрещивающегося расположения очистных выработок в смежных по высоте горизонтальных слоях для повышения устойчивости искусственной кровли. Показано, что при прочих равных условиях, перекрещивающееся расположение очистных выработок обеспечивает повышение устойчивости искусственной кровли в 1,65 раза за счет снижения эквивалентного пролета обнажения искусственной кровли. 5. Предложенная схема расположения очистных выработок в смежных по высоте слоях прошла стадию промышленных испытаний, внедрена в производство, и в настоящее время на Орловском руднике все очистные работы проектируются и ведутся с перекрещивающимся расположением выработок. 6. Установлено, что нагрузка на крепь в зависимости от удаления от центра выработанного пространства изменяется по параболическому закону. 7. Предложен новый расчета плотности установки крепи, основанный на установленной закономерности распределения нагрузок на крепь и отличающийся различной плотностью установки крепи по мере удаления от центра выработанного пространства. 8. За счет рациональной плотности установки крепи на Орловском руднике возможно снижение затрат на крепление очистных выработок на 22 0-нЗЗО тыс. долларов США в год.
