Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Устойчивость горных выработок шахт Североуральского бокситового бассейна в удароопасном массиве горных пород 9
1.1. Горногеологические условия глубоких горизонтов шахт Североуральского бокситового бассейна 9
1.1.1 Геологическая характеристика месторождений
1.1.2 Вскрытие, подготовка и системы разработки 16
1.2. Напряженное состояние массива горных пород и формы проявлений горного давления 20
1.3 Направления совершенствования способов обеспечения устойчивости горных выработок при динамических проявлениях горного давления
1.4 Цель и задачи исследований 43
Глава 2. Исследование прочностно-деформационных свойств и энергоемкости разрушения вмешающих пород в условиях глубоких горизонтов шахт ОАО «Севуралбокситруда» 45
2.1. Методика экспериментальных исследований вмещающих пород на жестких установках объемного сжатия пристатическом и динамическом режимах нагружения 45
2.2.Результаты исследования прочностно-деформационных свойств вмещающих пород 55
2.3. Паспорта прочности вмещающих пород и их классификация по энергоемкости разрушения 50
Глава 3. Исследование формирования зон разрушения пород вокруг горных выработок при воздействии сейсмических волн 66
3.1. Определение параметров сейсмических волн при динамических явлениях и обоснование геомеханической модели образования отколов от поверхности выработки 66
3.2. Метод расчета толщины отколов от поверхности выра боток и зон разрушений вокруг них при воздействии сейс мических волн 75
3.3. Расчет размеров зон разрушения вокруг выработок различных форм поперечного сечения
Глава 4. Разработка рекомендаций по обеспечению устойчивости подготовительных горных выработок и выбору сейсмо стойких упрочняющих крепей 90
4.1. Рациональная форма и размеры подготовительных выработок в условиях динамических форм проявлений горного давления оп
4.2. Типы и конструкции сейсмостойких упрочняющих крепей 93
4.3. Оценка работоспособности упрочняющих анкерных крепей при динамических формах проявлений горного давления
4.4. Рекомендации по обеспечению устойчивости подготовительных выработок в условиях удароопасности массива пород 106
- Геологическая характеристика месторождений
- Направления совершенствования способов обеспечения устойчивости горных выработок при динамических проявлениях горного давления
- Метод расчета толщины отколов от поверхности выра боток и зон разрушений вокруг них при воздействии сейс мических волн
- Оценка работоспособности упрочняющих анкерных крепей при динамических формах проявлений горного давления
Геологическая характеристика месторождений
Тектонические нарушения распределяются по трем основным направлениям: 1) нарушения с падением плоскостей сместителя на северо-запад; 2) нарушения северо-восточного направления; 3) нарушения, близкие к широтному направлению.
На закарстованных участках в зонах сбросов покрывающие породы сильно трешиноваты и при незначительных обнажениях кровли образуют вывалы и купола, достигающие иногда огромных размеров.
Месторождение бокситов в отношении самовозгорания руд и вмещающих пород считалось неопасным. Однако изучение вещественного состава руд и вмещающих пород позволило установить, что породы, представленные углисто-глинистыми сланцами, залегающие в кровле рудного тела, склонны к окислению и самовозгоранию.
Серьезную угрозу для горных выработок представляют прорывы воды из карстовых и сообщающихся с ними трещин. В зависимости от размеров вскрытых полостей и величины гидростатического напора притоки воды могут нарастать от нескольких сот до нескольких тысяч кубических метров в час. Сложность геологических и особенно гидрогеологических условий СУБРа во многом определяет порядок освоения месторождения и развития горных работ. В истории развития горных работ рудника выделяют четыре периода: 1 - отработка верхних горизонтов выположенной части месторождения до глубины 25-ЗОм открытым способом;
2- отработка запасов верхних горизонтов до статического уровня подземных вод, до глубины 50-60 м через малые наклонные шахты;
3- отработка месторождений до глубины 150-200м через капитальные наклонные стволы (исключением является участок главного рудного поля месторождения «Красная шапочка», который отрабатывался через единственную в тот период шахту);
4- отработка запасов бассейна до глубины 500-800м с применением вертикальных капитальных шахт.
Вскрытие месторождения осуществлено несколькими шахтами. Кедровый участок Черемуховского месторождения -вертикальными стволами шахты №9-9бис; Предусматривается вскрытие Черемуховского месторождения до глубины 1000-1500м стволами шахты «Новокальинская» Северный и центральный участок Кальинского месторождения вскрыт двумя вертикальными стволами шахта №13-1 Збис; Южный участок Кальинского месторождения, участки «Восточная залежь» и «третий Северный» месторождения «Красная почка»-двумя вертикальными стволами шахты №14-14бис; «Второй Северный» участок месторождения «Красная шапочка» и южная часть восточной залежи вскрыты двумя вертикальными стволами шахты №15-15бис; Южный участок восточной залежи и главное рудное поле месторождения «Красная шапочка»-двумя вертикальными стволами шахты №16-16бис.
Главными факторами, определяющими область применения различных систем разработки на руднике, являются устойчивость кровли и мощность залежи.
В перспективе планируется увеличение удельного веса системы разработки с закладкой и креплением нарезных и очистных выработок на период отработки анкерной крепью.
Вскрытие шахтных полей протяженностью 5—8 км производят с помощью группы эксплуатационных центральных сближенных вертикальных стволов диаметром от 5,5 до 8,5 м и вентиляционными стволами на флангах. Вскрывающие квершлаги проходят через 60—90 м по вертикали (высота этажа). На некоторых шахтах для спуска оборудования с поверхности и между горизонтами проходят автотранспортные уклоны сечением до 20—36 м . В условиях неустойчивых туфогенных пород для выдачи руды и породы применяют схемы вскрытия месторождения грузолюдскими наклониыми стволами и конвейерными уклонами сечением 10—20 м2. Вскрывающие выработки проходят практически все литолого-стратиграфические разновидности пород с различными физико-механическими свойствами. Это определяет инженерно-геологические особенности, разнообразие и значительную сложность проведения выработок. Схема подготовки горизонтов включает проведение в субмеридиональном направлении одно или двухпутевых штреков сечением 9,8—14 м в светло-серых и светло-розовых известняках на расстоянии более 40 метров от рудного тела по нормали [68,69]. На отдельных участках возможно уменьшение этого расстояния с разрешения комиссии по горным ударам. С учетом длины OHHCтных блоков через 50—100 м из штреков проходятся орт-заезды сечением 9,8—10,2 м в субширотном направлении до подсечения контакта с породами висячего бока. Из орт-заездов на контакте с породами висячего бока проходят рудные блоковые восстающие сечением 7,5—8 м2 до сбойки с работами верхнего горизонта. Для обеспечения технологичности погрузки и доставки горной массы рудный восстающий сбивают одним или несколькими рудоспусками со штреком или Орт-заездом. Подготовительные выработки проходят в породах одного литологического состава, непосредственно подстилающих рудное тело, но и здесь встречаются сложности и особенности. Расположение выработок на незначительном расстоянии от рудной залежи, ее подсечение при проведении орт щ 17 заездов, влияние очистных работ сказываются на условиях и характере проявления горного давления в подготовительных выработках, их поддержании при проходке и эксплуатации. В зависимости от геологических и горнотехнических условий для добычи бокситов применяются четыре класса систем разработки [3,5,39]: -с открытым выработанным пространством (камерно-столбовая система); -с закладкой выработанного пространства (камерная выемка с закладкой, -столбовая с однослойной выемкой и закладкой); -с обрушением налегающих пород (система слоевого обрушения в различных модификациях, система этажно-камерного обрушения); -камерно-столбовая система с закладкой нисходящими слоями.
Применяемые системы разработки не удовлетворяют в полной мере сложным условиям месторождения. Неравномерное понижение фронта работ, оформление целиков различных размеров, работа встречными фронтами на передовые выработки, повышенная изрезанность массива, влияние соседних выработок, отработанного и непогашенного пространства создают зоны повышенной концентрации напряжений и в совокупности с геологическими факторами создают условия для проявления горного давления в динамической форме.
Направления совершенствования способов обеспечения устойчивости горных выработок при динамических проявлениях горного давления
Нагружение образца с помощью этого гидропривода осуществляется следующим образом. Нагрузка на образец, передаваемая клиновой парой 11,12, создается гидродомкратом 9. Для того, чтобы в гидродомкрате не происходило накопление упругой энергии сжатой жидкости, снижающей жесткость нагружающей системы, подача рабочей жидкости в него осуществляется дозированными порциями с помощью пульсатора. После каждой порции и соответствующего перемещения цилиндра гидродомкрата 9 и клиновой пары 11, 12 давление в гидродомкрате сбрасывается до нуля. Трение в самотормозящейся кли новой паре 11,12 позволяет при этом сохранить достигнутые на образце нагрузку и деформацию, а клиновая пара 7 и плунжер 14 полностью вытесняют жидкость из полости гидродомкрата 9, перемещая щток его до упора в дно корпуса гидро дом крата.
Каждый новый нагружающий импульс подается в пустой гидродомкрат с объемом камеры, уменьщенном до нуля. Таким образом, минимального объема рабочей жидкости (равного объему одного нагружающего импульса) достаточно для развития любой деформации на образце. Каждый акт вытеснения порции рабочей жидкости из гидродомкрата сопровождается перемещением плунжера 14, в результате чего увеличивается объем компенсационной камеры 15, в которую перетекает жидкость из рабочей камеры 4, вытесненная штоком 2. Давление в рабочей камере при этом сохраняется постоянным, так как соотношение внутренних диаметров рабочей и компенсационной камер равно передаточному отношению нагружающей клиновой пары.
Для обеспечения второго режима нагружения служит гидродомкрат 19, закрепленный на раме пресса и связанный трубопроводом 20 с пульсатором 21.
Шток 16 гидродомкрата через прорезь в клине 12 упирается в клин 11. Работа по второму режиму нагружения может осуществляться при снятой клиновой паре 7. В -этом случае необходимо перекрыть трубопровод 17.
Пульсирующая подача рабочей жидкости в гидродомкрат 19 осуществляется пульсатором 21. При подаче порции жидкости в гидродомкрат усилие через шток 16 и клин 11 передается на камеру 4 и происходит деформация образца. Одновременно клин 12 под действием плунжера 14 перемещается, сохраняя контакт с клином 11 по клиновой поверхности. При сбросе давления в гидродомкрате до нуля усилие, достигнутое на образце, сохраняется за счет опоры клина 11 на клин 12.
В момент, когда давление в гидродомкрате отсутствует, дополнительный привод (не показанный на рисунке), вкручивая цилиндр 19 гидродомкрата в корпус 1 пресса, полностью вытесняет жидкость из гидродомкрата, уменьшая рабочий объем его камеры до пуля. Это происходит после каждого нагружающего импульса, поэтому даже при больших деформациях образца объем жидкости в гидродомкрате остается постоянным и имеет минимальное значение, определяемое объемом порции жидкости одного нагружающего импульса.
Новый нагружающий импульс рабочей жидкости под давлением поступает в пустой гидродомкрат с полностью выбранным паразитным объемом.
Как для первого, так и для второго варианта погружения, подбирая объем порции жидкости каждого рабочего импульса и частоту пульсации, можно регулировать плавность нагружающего процесса и скорость деформации. Максимальная скорость деформации, достигаемая на этой установке, составляет около 10" с. В сторону меньших скоростей деформирования процесс можно менять на несколько десятичных порядков. Погрешности измерения продольной и поперечной деформации образца не превышают 1 %, погрешности измерения усилия около 3 %.
Показатель жесткости пресса при разных режимах нагружения составляет отО,5х10" Н/мдо10 0Н/м. Максимальное гидростатическое давление в камере - 300 МПа. Максимальное осевое усилие, развиваемое прессом - 2000 кН. Габариты пресса- 80x400x400 мм.
Установка снабжена устройствами, позволяющими изучать акустические и фильтрационные свойства горных пород при разных уровнях бокового давления процессе деформации до предела и за пределом прочности, регистрировать изменение объема трещинопорового пространства в образце при деформации, исследовать влияние величины норового давления на механические характеристики.
При проведении экспериментов с повышенной температурой внутри камеры высокого давления располагается также нагревательный элемент.
На рис. 2.2 изображена принципиальная схема жесткой динамической установки для исследования свойств горных пород за пределом прочности в условиях объемного сжатия [78,79 ].
Установка содержит камеру высокого давления, состоящую из цилиндра 1, штока 2 и крышки 3. Камера, после установки в ней испытываемого образца 12, помещается в раму 4 пресса. В раме также размещены поршень 5 гидродомкрата, узел регулировки скорости деформации 6, быстродействующий клапан 7, ресивер переменного объема 8. Пресс содержит два источника давления: 13 -для создания объемного напряженного состояния на образце и подачи давления в камеру 15 разгрузки и возврата штока гидродомкрата, 14 - для осуществления продольной деформации образца. Проведение эксперимента осуществляется в следующем порядке. С помощью источника 13 в камере 1 создается необходимый уровень гидростатического давления.
Метод расчета толщины отколов от поверхности выра боток и зон разрушений вокруг них при воздействии сейс мических волн
Рассмотренная выше геомеханическая модель образования откольного явления может быть использована для расчета мощности отколов от поверхности выработок. Для разработки метода расчета ограничимся рассмотрением только продольных сейсмических волн.
Для решения задачи аппроксимируем нестационарную волну в окрестности выработки стационарной. Рассмотрим вначале выработку круглой формы поперечного сечения.
Тогда задача сводится к исследованию напряженно-деформированного состояния в плоскости с круговым отверстием, подверженной на бесконечности воздействию плоской продольной волны. Материал плоскости является изотропным и деформируется по закону Гука. На контуре поперечного сечения незакрепленной выработки компоненты напряжений удовлетворяют граничным условиям г + г = ; тг0 + тг9 - и , (3.3) и где V ; тгЄ - компоненты напряжений соответствующие отраженной волне. Длина продольной волны при промышленных взрывах и горных ударах малых энергий изменяется от 7,4 до 45 м, а при димамических явлениях больших энергий и более 100м.
При наибольшем линейном размере поперечного сечения горной выработки равном 4м, соотношение между длиной волны L и характерным размером выработки 2#о изменяется от - 4,6 до 11,25,
Результаты расчетов концентрации динамических напряжений ае вокруг горных выработок показывают [28, 32], что при соотношении L/2RQ 3, может быть использовано квазистатическое решение задачи.
Основываясь на этих результатах будем рассматривать в дальнейшем квазистатическое решение задачи.
Используя известное решение плоской задачи теории упругости о двухосном сжатии плоскости с круговым отверстием и граничные условия (3.5) запишем основные VWe и дополнительные Vae T,-e напряжения, соответствующие падающей и отраженной волнам: Сг = Gx Г 1 + Л Л - 1 V cos Л ) cos Ш; а9 =ст { + Л Л + — V cos cos at: л -1 0 т Q = а sin 26 cos &t rv X (3.6) и -а + Л 1 Л - 1 f зV 4 лг2 J cos 26 2 У 2 cos со? о ае = -«, / 1 + Л 1 Л - 1 3 cos 26 т+ \ 2 г 2 г ; cos со/ \ л-1 о 2 3 Ve = a 2 4 \г - J sin 29 cos at (3.7) О где о - модуль наибольшей величины сейсмического воздействия в цен-тре поперечного сечения горной выработки, вычисляемый по формуле (3.6): Л = - —-коэффициент бокового распора; v - коэффициент Пуассона горных /? пород; г = —— безразмерная радиальная координата; 6 - угловая координата; со - угловая частота; t - время.
Найдем величину зоны разрушения около выработки кругового очертания в результате воздействия продольных волн. Разрушение приконтурной зоны массива около выработки происходит со стороны действия фронта волны под действием растягивающих напряжений г соответствующих отраженной волне.
Тогда условие образования плоскости трещины при действии растяги вающих напряжений sr записывается: = тр-К -К (3 8) где: о, - предел динамической прочности на одноосное растяжение горной породы; Кс - коэффициент структурного ослабления массива; Ки- коэффициент усталости пород, учитывающий цикличность воздействия сейсмических волн принимается 0,4[86]. Запишем условие образования откола при (3.8) = О в виде , учитывая связь (3.7). -a + Л 1 1-Л 2 r {-- 0 COS 20 VГ2 Г2 J G„К К (3.9) Сведем его к решению квадратного уравнения: az + bz + с = О (3.10) где а = 2Кслyар a ZJ = -[(1 + A)+4(1-A)COS2G] ; C = 3(I-лCсо8 z = г (3.11) Решение 1 - уравнения (3.10), как известно, имеет вид Ъ + Л2 - 4яс 2а (3.12) Тогда размер толшины откола от обнажения выработки при действии от раженной волны будет равен: -4fr (3.13) Растягивающие напряжения а\ (3.7) от отраженной волны имеют наибольшее значение при 0 = 0. С увеличением угла 9 величина этих напряжений уменьшается. Поэтому с увеличением 9 радиальная координата зоны разрушения будет уменьшаться.Найдем ширину зоны откола, т.е. значение угла 9 = 80, при котором d = 0. Величина 9о находится из условия (3.9) при г = 1. 0 " б. =0,5-arccos (7 .00,((1 +Л)-а 0,5-(1-Л)а (3.14) Горная выработка в процессе эксплуатации испытывает воздействие нескольких динамических явлений. Размер зоны разрушения вокруг выработки будет сформирован в результате образования отколов от нескольких динамических явлений. Тогда размер зоны разрушения при воздействии т динамических явлений можно найти по формуле: -I -Z( -i . (3-15) где Z, -толшина откола от -го явления, вычисляемая по формуле (3.12). Полученные выше размеры зоны разрушения вокруг выработки в результате образования откола не учитывают влияние статического поля напряжений, сформированного от действия гравитационных сил. Под действием статических напряжений размеры зоны разрушения (толщина откола) будет меньше.
Оценка работоспособности упрочняющих анкерных крепей при динамических формах проявлений горного давления
Шахтные испытания показали, что их несущая способность сразу после установки составляет 90-120 кН, а средняя продолжительность установки анкера составила не более 1 мин, без учета бурения шпура. Благодаря высокой стойкости ТГА к сейсмическим воздействиям и сохранению своей несущей способности при вытягивании (на уровне 80-90 % от первоначальной) эта конструкция анкеров может быть рекомендована в качестве сейсмостойкой крепи.
А.З. Сталеполимерный анкер замковый (СПАЗ) (рис. 4.4, е) и сплошной (СПАС) (рис. 4.4, г) состоит из арматурного стержня, ампул (одна или несколько) с компонентами полимербетона, гайки и опорной плитки. Оптимально подобранный состав высокопрочного быстротвердеюшего полимербетона обеспечивает короткие сроки твердения (до 3-5 мин) при заданной температуре окружающей среды. Несущая способность анкеров при длине заделки 400 мм составляет 60, 80, 140 и 180 кН соответственно спустя 0,5; 1; 2 и 24 часа с момента установки.
Благодаря быстрому вступлению в работу, высокой несущей способности и стойкости к сейсмическим воздействиям, такая крепь может быть рекомендована в качестве сейсмостойкой крепи, обеспечивающей высокую эффективность упрочнения массива.
Анкера, вступающие в работу спустя несколько часов после установки. Железобетонный анкер с двухконусным контурным замком (ЖБА2К) имеет стержень из г1рматурьі периодического профиля № 18-20 с прямым контурным концом, на который надевается уплотнительная манжета, предотвращающая вытекание раствора из скважины при введении в нее стержня (рис. 4.3, г и 4.4, г). При использовании такой крепи самостоятельно или в комбинации с набрызгбетонным покрытием опорная плитка не устанавливается по причинам, указанным выше.
При неустойчивых породах (III, IV категории), когда требуется применение опорных элементов (опорных плиток или подхватов) с решетчатой затяжкой, на контурном конце ЖБА2К устанавливают и закрепляют двухконусную втулку вместе с опорным элементом. Выполненные исследования показали, что несущая способность двухконусного замка составляет 80-140 кН. Работает он в податливом режиме нарастающего сопротивления, что в условиях возможных динамических воздействий можно считать достоинством.
Другие достоинства ЖБА2К заключаются в возможности простого визуального и инструментального контроля качества его установки, а также закрепления опорных элементов через любой срок после возведения такой штанги и даже в случаях частичного отслоения пород у устья скважины. При использовании быстротвердеющего высокопрочного цементно-песчаного раствора ЖБА2К способен вступать в работу через 12-24 часа после установки и может быть применена в качестве сейсмостойкой крепи. Временная крепь при этом на призабойном участке может быть выполнена в разных вариантах (КЛА, КЖБА, упрочняюще-выравнивающий слой набрызгбетона, перекатной зонт на монорельсе и т.п.).
Б.2. Трособетонный анкер (ТБА) с петлевым контурным концом, опорной плиткой с овальным вырезом и стопорным клином, разработанная в ОАО СУБР (рис. 4.4, в) вначале устанавливается без опорной плитки (как и ЖБА2К). Затем, как и в предыдущем случае, крепь может усиливаться набрызгбетонированием. установкой решетчатой затяжки с опорной плиткой и стопорным клином или даже их комбинацией. Такая крепь по сути эквивалентна ЖБА2К, но в отличие от нее не позволяет устанавливать опорные элементы, если произошло отслоение пород у контурного конца анкера. ТБА может использоваться в качестве сСК при тех же условиях, что и ЖБА2К.
Железобетонный анкер одностержневой с петлевым концом (ЖБА 1 П), применяемый на рудниках АО "Норильский никель" (рис. 4.4, д), предназначен для создания усиленной комбинированной крепи из анкеров, металлической сетки и набрызгбетона. Стержень анкера выполняется из арматуры периодического профиля диаметром 16-18 мм. Опорная плитка с овальным вырезом прижимает к породе сетку при помощи стального клина, забиваемого в петлю анкера. Такая конструкция аналогична ТБА и также может быть использована в качестве ССК,
Железобетонный анкер двухстержневой с петлевым концом (ЖБА 2П) отличается от рассмотренного Выше ЖБА 1П тем, что стержень выполнен из арматурной стали периодического профиля диаметром 12-14 мм, сложенной вдвое, с образованием петли для клина на контурном конце (рис. 4.4, е). Такая конструкция эквивалентна предыдущей, но более удобна при изготовлении стержня ЖБА и установке "гребенки", "подвесок" или "кустов" с длиной анкеров 3.4-4.5, особенно из низких выработок (высотой до 2,5-3 м), т.к. тонкая арматура легко изгибается при введении в скважину. ЖБШ 2П также пригодней в качестве ССК при указанных выще условиях.
Б.5. Набрызгбетонная крепь, создавая на контуре выработки защитное j покрытие, сглаживая неровности и снижая при этом местные концентрации на- ; пряжений, упрочняя приконтурную зону трещиноватого массива за счет проникновения в него цементного раствора, а значит, снижая степень трещинова-тости (Кс), способна существенно повысить устойчивость выработок. Следовательно, набрызгбетонная крепь может быть рекомендована как разновидность сейсмостойкой при ее самостоятельном применении, в комбинации с анкерами, ; а в наиболее тяжелых условиях и в сочетании с металлическими подхватами, решетчатой затяжкой или их комбинацией,
