Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса и задачи исследований 9
1.1 Опыт ведения горных работ в условиях обводненности под водозащитной потолочиной 9
1.2 Горногеологические и гидрогеологические условия Яковлевского месторождения 11
1.3 Физико-механические свойства руд и вмещающих пород 14
1.4 Анализ моделей нелинейного деформирования материалов и руд 17
1.5 Анализ методов оценки устойчивости обнажений подготовительных горных выработок 27
1.6 Выводы по главе 1 32
ГЛАВА 2 Экспериментальные исследования средней прочности и прочных руд яковлевского месторождения 33
2.1 Методика экспериментальных исследований руд на прессовом оборудовании 33
2.2 Обработка результатов 37
2.3 Выводы по главе 2 51
ГЛАВА 3 Теоретические исследования напряженно деформированного состояния вокруг подготовительных горных выработок в рудном массиве 53
3.1 Исследование на плоской конечно-элементной модели напряженно деформированного состояния физически-нелинейного массива, вмещающего выработку с поперечным сечением круглой формы 53
3.2 Анализ результатов расчёта напряжённо-деформированного состояния массива
3.3 Исследование на плоской конечно-элементной модели напряженно деформированного состояния физически-нелинейного массива, вмещающего выработку с поперечным сечением сводчатой формы 62
3.4 Анализ результатов расчёта напряжённо-деформированного состояния массива 63
3.5 Исследование на плоской конечно-элементной модели напряженного состояния вокруг подготовительной выработки, заложенной в физически-нелинейном рудном массиве в зоне влияния очистных работ при слоевой системе разработки 67
3.6 Анализ результатов расчёта напряжённо-деформированного состояния массива 72
3.7 Исследование на объемной конечно-элементной модели напряженно деформированного состояния рудного массива, вмещающего подготовительные
выработки в зоне влияния очистных работ 82
3.8 Анализ результатов расчёта напряжённо-деформированного состояния массива 90
3.9 Выводы по главе 3 100
ГЛАВА 4 Сопоставление теоретических и экспериментальных исследований и разработка рекомендаций по их использованию 101
4.1 Визуальные обследования подготовительных выработок 101
4.2 Исследование характера формирования зоны пластических деформаций вокруг подготовительной выработки 113
4.3 Расчет параметров поддерживающей крепи подготовительных выработок.. 116
4.4 Выбор типа и параметров крепи подготовительных выработок 119
4.5 Выводы по главе 4 125
Заключение 127
Список литературы
- Физико-механические свойства руд и вмещающих пород
- Обработка результатов
- Исследование на плоской конечно-элементной модели напряженно деформированного состояния физически-нелинейного массива, вмещающего выработку с поперечным сечением сводчатой формы
- Исследование характера формирования зоны пластических деформаций вокруг подготовительной выработки
Физико-механические свойства руд и вмещающих пород
Разработка месторождений в условиях обводненности всегда являлась сложной горнотехнической задачей.
Одним из наиболее эффективных способов разработки месторождений под водоемами и водоносными горизонтами без осушения вышележащей толщи в современной практике является оставление предохранительной потолочины, предотвращающей прорыв воды в горные выработки. Рассмотрим месторождения, при разработке которых применялся данный способ.
На Коробковском месторождении КМА, которое отрабатывается шахтой им. Губкина, железистые кварциты перекрыты мощной толщей обводненных песчано-глинистых пород, склонных к плывунности. Строительство рудника планировалось первоначально для отработки богатых железистых руд, но в связи с неоднократными прорывами воды и плывунов в горные выработки, отработку богатых руд осуществить не удалось, и было принято решение использовать пройденные стволы для добычи железистых кварцитов. Добыча руды этажно-камерной системой разработки ведется в пределах одного выемочного этажа высотой 60 м под защитой предохранительной рудной потолочины мощностью 70-100 м, опирающейся на систему междукамерных целиков. Потери руды в них достигают 57-60%, что обуславливает наряду со значительным резервом прочности конструкции «потолочина - камеры - целики» и значительную потерю запасов руды в недрах. Во-доприток в шахту не превышает 300 м3/час.
Рудник «Вобана» (Атлантическое побережье Канады) разрабатывает месторождение, представленное гематитовыми пластами мощностью до 10 м, падающих в направлении океана под углом 8. Глубина океана над наиболее удаленной частью месторождения достигает 500 м. Рудное тело отрабатывают камерной системой разработки с шириной камер 6-7 м и шириной междукамерных целиков 4-6 м. Мощность водозащитной потолочины между очистными работами и дном океана составляет не менее 60 м [53].
На Зыряновском руднике выемка руды осуществлялась под защитой бетонной крепи, создаваемой в виде объемной решетки путем последовательного проведения одна над другой выработок по простиранию и вкрест простирания рудного тела с последующей их закладкой твердеющей смесью. Внедрение технологии позволило снизить как себестоимость добычи за счет сокращения объёма закладочных работ, так и потери полезного ископаемого за счет безцеликовой выемки [20, 70, 79, 89].
Запорожский рудник разрабатывает месторождение, имеющее наибольшую мощность залежи 115 м в южном крыле, на севере мощность уменьшается до 10 м. Падение крутое, на восток под углом 65 -70. Месторождение и руднокристалличе-ский горизонт сильно обводнены. Напор составляет до 200 м. Рудное тело отрабатывается этажно-камерной системой разработки с подэтажной отбойкой руды, с последующей закладкой выработанного пространства твердеющим материалом. Ширина камеры 30 м. Мощность рудной потолочины составляет 50-70 м [11, 87].
Отрицательным примером разработки месторождения под обводненной толщей может служить разработка залежи хлористого калия ОАО «Уралкалий» (Березники, Пермский край). Развитие аварии происходило стремительно. На руднике было зафиксировано увеличение притока рассолов и рост уровня сероводорода. Десять дней «Уралкалий» боролся за спасение рудника. Однако скорость притока рассолов резко возрастала (превысила 1200 кубометров в час), а концентрация сероводорода увеличивалась. Руководство предприятия приняло решение прекратить борьбу за рудник. Впоследствии на территории БКПРУ-1 ОАО "Уралкалий", в районе фабрики техсоли, произошел провал на земной поверхности, который в настоящее время активно развивается. К ноябрю 2007 года его поперечные размеры достигли 300x200 метров, глубина 30-40 м. Расположение провала достаточно хорошо согласуется с прогнозными оценками, полученными в начальный период аварии. Позже в образовавшемся провале произошло обрушение глубинных пород, сопровождавшееся громким хлопком, кратковременным колебанием земной поверхности и выбросом шахтного воздуха и кусков породы. Одновременно в месте образования воронки был зафиксирован выброс сероводорода.
По мнению ученых, повышенный приток рассолов стал следствием разрыва водозащитной толщи на одном из неразрабатываемых участков рудника. Подобная причина в течение последнего столетия привела к затоплению 80 соляных и калийных шахт в мире [29].
Этот пример показывает, что в процессе эксплуатации и на этапах строительства и разработки месторождений под обводненными толщами могут возникнуть катастрофические последствия, выражающиеся в обрушении поверхности и даже затоплении рудников.
Яковлевское месторождение, наряду с другими месторождениями КМА, является уникальным как по ценности и запасам богатых железных руд, так и по сложности горнотехнических, геологических и гидрогеологических условий его освоения. Согласно Классификации запасов месторождений твердых полезных ископаемых, месторождение отнесено ко второй группе сложности [34].
Уникальность богатых железных руд заключается в высоком содержание железа (до 70%) при низкой концентрации вредных примесей, таких как фосфор и сера (до 0,1%), что качественно выделяет их на фоне других разведанных в настоящее время в мире железных руд. Богатые железные руды являются корой выветривания железистых кварцитов. Глубина залегания богатых железных руд превышает 500 м. Ширина залежи варьируется от 200 до 600 м. Вертикальная мощность рудного тела составляет от 20-30 м вблизи лежачего бока, представленного железистыми кварцитами до 300 м в висячем боку. Угол падения рудного тела изменяется в пределах 60-70 [14]. На месторождении можно выделить следующие мине 12 ралогические типы богатых железных руд: мартитовые и железнослюдко-мартито-вые, мартит-гидрогематитовые, гидрогетит-гидрогематитовые, а также карбонати-зированные. Наибольшее развитие имеют магнетит-железнослюдковые кварциты типа итабиритов, в значительно меньшей степени - силикат-магнетитовые кварциты типа таконитов. [53] Мартитовые и железнослюдко-мартитовые руды («синьки»,) являются наиболее богатыми по содержанию железа, часто развиты совместно, обладают близкими текстурными свойствами, поэтому разновидности этих руд объединяют в один морфологический тип, который составляет более 50% общих запасов месторождения. Мартит-гидрогематитовых руды («краски») характеризуются пестрой окраской с преобладанием красного цвета с оттенками, имеют полосчатую текстуру за счет мартитовых прослоев. В Яковлевской полосе они составляют свыше 20% запасов руд и приурочены чаще к висячему боку залежи. Содержание железа в руде варьируется от 45 до 70% в зависимости от мощности рудной залежи - возрастание мощности связано, как правило, с повышением содержания железа.
Лежачий бок залежи представлен относительно устойчивыми железистыми кварцитами железнонослюдково-мартитового состава. Висячий бок месторождения слагают неустойчивые филлитовидные кварц-серицитовые, хлорито-серицито-вые сланцы.
На Яковлевском месторождении существует два водоносных комплекса, в осадочном чехле и кристаллическом фундаменте. К водоносным горизонтами осадочного чехла относятся: аллювиальный, харьковский, каневско-бучакский, турон-маастрихтский, альб-сеноманский, неокомаптский, юрский и каменноугольный. Наличие двух водоупоров препятствует воздействию большинства водонапорных горизонтов осадочного чехла на рудную залежь. Однако непосредственно над рудным телом располагается нижнекаменноугольный водоносный горизонт с напорами до 440 м. Между водоносным горизонтом и рудной залежью отсутствуют выдержанные водоупоры [26].
Обработка результатов
В работе [67] исследовано напряженно-деформированное состояние вокруг одиночной выработки за пределом упругости для основных форм поперечных сечений, заложенных в нелинейном изотропном массиве с начальным гидростатическим напряженным состоянием. Задача сводится к исследованию напряженного состояния в бесконечной плоскости с отверстием, сжимаемой усилиями уН на бесконечности, где у - средняя плотность толщи пород; Н - глубина заложения выработки.
Авторами работы предлагается использовать следующий вид аппроксимации экспериментальных данных у = 2Втт+\ (3.1) где Вит постоянные, определяемые на основе экспериментальных данных. Показатель В используется в качестве аналога модуля сдвига, постоянная т выступает в качестве универсального показателя нелинейности. Таким образом, для упругой среды т = 0,с увеличением значения т нелинейность возрастает.
Авторами приводится расчет напряжений ае на контуре одиночной выработки круглой формы, сооружаемой в средах с различным показателем нелинейности. Для выработки, заложенной в известняке с показателем нелинейности т = 0,163, получено значение тангенциальных напряжений на контуре ае = \,72уН. Для выработки, сооружаемой в солях с сильной нелинейностью (т = 2,48), напряжения на контуре составили ае = 0,57уЯ. Таким образом, в первом случае теория упругости завышает коэффициент концентрации тангенциальных напряжений в 1,16 раза, а во втором - в 3,5 раза [67].
Значительный интерес представляет нахождение коэффициентов концентрации тангенциальных напряжений ае на контуре выработки круглой формы, сооружаемой в различных типах железных руда Яковлевского месторождения, обладающих нелинейным характером деформирования.
Исследование напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок, проводимых в таких рудах, является сложной геомеханической задачей. Основная проблема заключается в том, что решение подобных задач для выработок некругового сечения представляет значительные сложности. Наиболее эффективным методом исследования напряженно-деформированного состояния массива в таких случаях является численное моделирование методом конечных элементов (МКЭ).
Метод основан на численном решении систем дифференциальных уравнений [22,23,31,76, 85]. Несмотря на некоторую идеализацию натурных условий, многие современные расчеты на прочность проводят с использованием МКЭ, который позволяет приблизить расчетную схему к реальному объекту, а также дает возможность изучать объект в широком диапазоне условий путем изменения свойств среды и геометрических параметров сооружения.
Основная идея МКЭ состоит в том, что любую непрерывную величину (перемещение, температура, давление и т.п.) можно аппроксимировать моделью, состоящих из отдельных элементов (участков). На каждом из этих участков исследуемая непрерывная величина аппроксимируется кусочно-непрерывной функцией, которая строится на значениях исследуемой непрерывной величины в конечном числе точек рассматриваемого элемента.
Чаще всего при построении дискретной модели непрерывной величины поступают следующим образом. 1. Область определения непрерывной величины разбивают на конечное число подобластей, называемых элементами. Эти элементы имеют общие узловые точки и в совокупности аппроксимируют форму области. 2. В рассматриваемой области фиксируется конечное число точек. Эти точки называются узловыми точками или просто узлами. 3. Значение непрерывной величины в каждой узловой точке первоначально считается известным, однако необходимо помнить, что эти значения в действительности предстоит определить путём наложения на них дополнительных ограничений в зависимости от физической сущности задачи. 4. Используя значения исследуемой непрерывной величины в узловых точках и ту или иную аппроксимирующую функцию, определяют значения исследуемой величины внутри области.
Описанная теория метода конечных элементов подходит для моделирования материалов обладающих нелинейными свойствами деформирования.
С целью решения задачи нахождения коэффициентов концентрации тангенциальных напряжений ае на контуре выработки круглой формы, сооружаемой в железных рудах Яковлевского месторождения построена двумерная конечно-элементная модель. Расчетная схема модели представлена на рисунке 3.2.
Расчетная схема конечно-элементной модели Модель представляет собой участок массива размером 200x200 м. Граничные условия задавались таким образом, при котором в модели запрещались смещения по боковым граням области в направлении оси X, по нижней грани - по оси Y, верхняя грань модели оставлялась свободно деформируемой [51].
В модели вмещающий выработки рудный массив заменялся нелинейно-деформируемой средой с физико-механическими характеристиками, представленными в таблице 3.1. Естественное напряженно-деформированное состояние массива определялась исходя из того, что выработка расположены на глубине 500 м в гидростатическом поле напряжений, распределённых по всему объёму вмещающего массива, с составляющими: где у - удельный вес пород, //-глубина заложения выработки.
Для реализации нелинейного характера деформирования железорудного массива использованы аппроксимированные экспериментальные зависимости между наибольшим сдвигом и наибольшим касательным напряжением, приведенные в главе 2 (Таблица 2.3, Рисунки 2.10-2.14).
Дискретизация расчетной области модели реализована таким образом, что минимальный геометрический размер конечного элемента составил 0,1 метра на контуре выработки, а максимальный по мере удаления - 5 метров. Посредством этого реализовано сгущение сетки конечных элементов в окрестности моделируемой выработки. В качестве используемого типа конечных элементов выбраны плоские четырехузловые конечные элементы первого порядка. Общее количество элементов составляет 43243. В результате моделирования получены значения коэффициентов концентрации тангенциальных напряжений на контуре и в окрестности выработки круглой формы (таблица 3.2).
В ходе анализа полученных данных установлено, что для выработки, сооружаемой в железнослюдково-мартитовых и гидрогематитовых рудах средней прочности, напряжения на контуре согласно физически-нелинейной теории составили ае = 0,98 уН и ае = 0,62 уН соответственно. Таким образом, в первом случае теория упругости завышает коэффициент концентрации напряжений в 2,04 раза, а во втором - в 3,23 раза.
Отмечено, что влияние физической нелинейности снижается с ростом прочности руды. Для плотной карбонатизированной железнослюдково-мартитовой руды напряжения на контуре составили ае = 1,54 уН, то для скальной мартитовой руды те же напряжения, найденные согласно нелинейной теории практически не отличаются от упругой.
Характер распределения коэффициента концентрации тангенциальных напряжений в окрестности выработки круглой формы представлен на рисунках 3.3-3.7.
Исходя из результатов, при учете физической нелинейности хлоритизирован-ных железных руд средней прочности выявлено снижение коэффициента концентрации тангенциальных напряжений на контуре выработки круглой формы в 2-3 раза, карбонатизированных плотных руд - в 1,3-1,7 раза. При учете физической нелинейности скальных мартитовых руда подобного эффекта не наблюдается, так как предел упругости последних значительно превышает напряжения, возникающие в результате проходки выработки.
Исследование на плоской конечно-элементной модели напряженно деформированного состояния физически-нелинейного массива, вмещающего выработку с поперечным сечением сводчатой формы
Рассмотрим распределение вертикальных смещений кровли слоевого штрека №1 гор. -370 м. по длине в зависимости от этапа ведения работ (рисунок 3.31). Можно отметить, что вертикальные смещения кровли штрека плавно увеличиваются по ходу ведения очистных и закладочных работ от 8 до 36 мм. За критерий соответствия модели реальному состоянию моделируемого участка в натурных условиях принята сходимость вертикальных смещений кровли и сближение боков в натуре и на модели. Для данной задачи была пройдена специальная выработка с различными видами и конструктивными вариантами крепей. Выработка ориентирована вдоль по простиранию руд, вблизи от лежачего бока, расстояние от контакта вмещающих пород и рудного тела на различных участках выработки изменялось от 7 до 26 м. Она проводилась в железнослюдково-мартито-вой рыхлой и железнослюдково-мартитовой хлоритизированной рудах на отметке превышающем уровень гор. -425 на 3-3.5 метра. Схема расположения выработки и ее ориентация относительно рудного тела показана на рисунке 3.32.
Базой для сопоставления являются данные по смещениям кровли экспериментальной выработки в месте установки контурной замерной станции КЗС-3, расположенной в железнослюдково-мартитовой хлоритизированной руде. Величина максимальных смещений за период наблюдений составила 30 мм (рисунок 3.33). Величина максимальных смещений полученных на модели представлена составила 36 мм (рисунок 3.34Смещения кровли экспериментальной выработки в месте установки КЗС-3 Рассмотрим конвергенцию (сближение) боков слоевого штрека №1 (гор. -370 м) по длине в зависимости от этапа ведения работ.
Анализируя результаты моделирования можно заметить, что на этапе полной закладки очистных заходок нулевого слоя гор. -370 м (шаг 12), максимальная конвергенция боков составила 12,25 мм. На момент полного окончания очистных и закладочных работ на втором слое максимальное сближение боков достигает 21 мм (шаг 32.)
Конвергенция боков экспериментальной выработки в месте установки контурной замерной станции КЗС-3 составила 16 мм (рисунок 3.35). О 50 100 150 200 250 Продолжительность наблюдений, сут
Результаты моделирования и натурных измерений имеют один порядок, хотя и не полностью совпадают. Это обусловлено тем, что натурные наблюдения за смещениями кровли и боков экспериментальной выработки проводились в 2005 г., поэтому наиболее адекватно сравнение результатов моделирования нулевого слоя гор. -370 м без учета ведения работ на нижележащих слоях (шаг 12). Кроме того, в натурных условиях массив неоднороден, содержит прослойки, трещины и тектонические нарушения, что в модели выполнить невозможно. Однако, сопоставимость результатов позволяет считать математическую модель адекватной реальной геомеханической обстановке и использовать ее для определения ожидаемых смещений рудной потолочины, а результаты моделирования считать достоверными.
Аналогичные картины распределения коэффициента концентрации тангенциальных напряжений, смещений кровли и боков слоевых штреков нижележащих очистных слоев представлены на рисунках 3.36 - 3.40.
Особенностью проходки данных слоевых штреков является то, что очистные работы под защитным перекрытием нулевого слоя ведутся в развитом поле напряжений.
Анализируя результаты моделирования очистных и закладочных работ первого слоя гор. -374 м, можно отметить, что принципиальная картина распределения тангенциальных напряжений по длине левого бока аналогична слоевому штреку гор. -370 м. Однако, а данном случае возрастает амплитуда циклических пиков и впадин, максимальные значения коэффициента концентрации тангенциальных напряжений на момент проходки слоевого штрека (шаг 13) составили 2,98, возрастая до 3,26 к моменту проходки слоевого штрека №1 второго слоя (шаг 23). Однако, как и в случае рассмотренном ранее, на момент окончания ведения всех очистных и закладочных работ (шаг 32) максимальные значения снизились до 1,71, что свидетельствует о разгрузке рудного массива от напряжений за счет работы закладочного массива.
Рассмотрим распределение вертикальных смещений кровли слоевого штрека №1 гор. -374 м. по длине в зависимости от этапа ведения работ (рисунок 3.36). За нулевые смещения принимались значения вертикальных смещений массива на момент окончания ведения очистных и закладочных работ гор. -370 м. Отмечено, что вертикальные смещения кровли штрека плавно увеличиваются по ходу ведения очистных и закладочных работ от 5 до 25 мм.
Максимальное сближение боков штрека на момент окончания всех закладочных и очистных работ составило 15,5 мм (рисунок 3.37).
Максимальные значения коэффициента концентрации тангенциальных напряжений (рисунок 3.38) на момент проходки слоевого штрека (шаг 23) составили 1,21, возрастая до 1,39 к моменту окончания ведения всех очистных и закладочных работ на втором слое (шаг 32). Отмечено, что максимальные коэффициенты концентрации тангенциальных напряжений в боку слоевого штрека №1 гор. -378 м значительно ниже (Ке = 1,21), чем при проходке аналогичного слоевого штрека на гор. -374 м (Ке = 2,98), что объясняется работой твердеющей бетонной закладки, обеспечивающей разгрузку вмещающего массива от напряжений, вызванных ведением очистных работ. з 1,45 пройден слоевой штрек №1 второго слоя (гор. -378 м); шаг 32 - пройдены и заложены все очистные заходки трех очистных слоев
Максимальные вертикальные смещения кровли слоевого штрека №1 гор. -378 м на момент окончания очистных и закладочных работ составили 20,52 мм (рисунок 3.39), что незначительно ниже аналогичных значений, полученных для штрека гор. -374 м (25 мм).
Исследование характера формирования зоны пластических деформаций вокруг подготовительной выработки
Проблема прогноза устойчивости подготовительных выработок особенно актуальна в зоне влияния очистных работ, которая способна существенно изменить состояние вмещающего массива.
Методика оценки устойчивости обнажений в выработках по критерию Пв, предложенная О.В. Тимофеевым и В.Л. Трушко [71], нуждается в корректировке на основании уточненных коэффициентов концентрации тангенциальных напряжений, полученных ранее в ходе численного моделирования с учетом свойств физически нелинейного тела.
На сегодняшний день критерий устойчивости обнажений выработок специалисты рудника определяют по формуле (4.2) без учета влияния нелинейного характера деформирования руд средней прочности и прочных:
где а - статическое вертикальное (для кровли выработки) и горизонтальное (для боков выработки) напряжение в нетронутом массиве в месте расположения выработки, МПа; Ki - коэффициент концентрации напряжений вследствие проведения выработки (таблица 4.5); Кг = К г К г - коэффициент изменения напряжений в результате влияния других выработок (К г) (таблица 4.6) и ведения очистных работ (К г) (таблица 4.7); R - среднее значение сопротивления пород в образце одноосному сжатию; Кс - коэффициент структурного ослабления массива; величина Пв по формуле определяется для кровли и боков отдельно.
Таким образом, нелинейный характер деформирования железорудного массива в окрестности подготовительной выработки никак не учитывается [58]. Кроме того, отсутствует учет влияния этапа очередности ведения очистных работ. Коэффициент Кх - не зависит от проходки смежных выработок и одинаков для одиночных и серии выработок.
В этой связи было выполнено моделирование напряженного состояния массива вокруг одиночной подготовительной выработки в зоне влияния очистных работ с целью установить, как и насколько меняются вертикальные напряжения на разных этапах. Модель учитывает все вышеперечисленные факторы [46].
Проектом строительства защитного перекрытия предусмотрена последовательная проходка не более трех выработок. Далее фронт работ движется в другом направлении.
Недозаклад и пустоты над крепью моделировались средними значениями, определенными натурными наблюдениями в условиях Яковлевского месторождения. Для крепи КМП-АЗ недозаклад составил 40 см.
Критерий Пв для боков определяется отношением вертикальных напряжений на контуре к прочности руды в массиве с учетом его ослабления трещинами.
В ходе моделирования выявлено, что вертикальные напряжения на контуре обнажения в боку подготовительной выработки, находящейся в зоне влияния очистных работ, независимо от типа руды отличаются от напряжений в боку одиночной выработки.
Для учета всех этих факторов в формуле (4.2) коэффициенты Ki и К2 заменяются на коэффициент комплексного влияния Квл, величина которого обоснована результатами компьютерного моделирования и лабораторных испытаний. Тогда формула (4.2) примет вид: где Квл - коэффициент концентрации напряжений вследствие проведения выработки, зависящий от нелинейного характера деформирования рудного массива и порядка проходки очистных заходок, принимаемый по таблицам 4.10-4.11.
После определения значений критерия напряженности элемента выработки Пв по его величине устанавливается категория устойчивости участка выработки. Возможные состояния устойчивости разделены на 4 категории (таблица 4.8).
Критерий напряженности бока выработки,Пв Категория исостояниеустойчивостиобнажения Признаки состояния устойчивости обнажений
Пв 1,0 I категория;Устойчивоесостояние Допредельное линейное и нелинейное деформирование массива. Контур выработки сохраняет устойчивое состояние без крепи. При взрывных работах и различных включениях возможны незначительные отслоения и просыпания руды.
Пв=1,0-1,3 II категория;Предельноесостояние Возможны отслоения руды с боков и кровли выработки, а также образование заколов. В течение времени продолжается разуплотнение и отслоение руды. Требуется оборка обнажений в кровле и боках.
Пв= 1,31-3,0 III категория;Неустойчивоесостояние Во вмещающем рудном массиве происходят процессы разуплотнения, с формированием зоны разрушенных пород, ограничивающейся сводом естественного равновесия, незначительно увеличивающейся с увеличением площади подработки.
Пв 3,0 IV категория; Очень неустойчивое состояние Под влиянием напряжений в массиве в кровле и боках руда отслаивается. Процесс обрушения продолжается после проходки выработки. Нагрузка на крепь возрастает, поэтому устойчивость выработки должна обеспечиваться крепью, способной создать отпор, необходимый для удержания отслоившейся руды. категории устойчивости незакрепленных обнажений в рудном массиве (таблица 4.8).
С учетом рассмотренной модели деформирования рудного массива вокруг подготовительных выработок, за основной вид крепи в железнослюдково мартито-вых рудах и гидрогематитовых рудах средней прочности принята арочная трех-звенная крепь КМП-АЗ с затяжкой кровли и боков просечным листом и плотной забутовкой закрепного пространства. В прочных железнослюдково мартитовых рудах и гидрогематитовых карбонатизированных прочных рудах принята сталеполи-мерные анкерная крепь с затяжкой контура металлической сеткой.
В ходе анализа процесса формирования зон неупругих деформаций вокруг выработки на объемной модели (рисунки 4.7-4.9), выявлено, что наиболее целесообразным является применение гипотезы сводообразования (проф. М.М. Протодь-яконова, П.М. Цимбаревича) [48, 79].
Исходя из данной теории вертикальная нагрузка на крепь выработки равна весу пород в своде обрушения.
Для определения горизонтальной нагрузки на крепь, необходимо знать размер зоны разрушений в боку выработки, который определяется из решения физически-нелинейной задачи и составляет для гидрогематитовой руды средней прочности, как было указано выше, l,79Ro [11, 28, 75].
С использованием представленных результатов выполнены расчеты параметров рамной крепи подготовительных выработок Яковлевского месторождения в зоне влияния очистных работ, представленные в таблице 4.11 [68, 10].
Выбор рациональных параметров крепи КМП-АЗ сводится к проверке соответствия типоразмера спецпрофиля арочной крепи и плотности расстановки арок (расстояния между арками), условиям поддержания выработки.
Исходными данными являются несущая способность (допускаемая вертикальная равномерно распределенная нагрузка) арки и прогнозируемая величина вертикальной равномерно распределенной нагрузки на крепь, отношение которых должно обеспечить коэффициент запаса несущей способности крепи к3 \ [46, 40, 15,38].
Таблица 4.10 - Значения коэффициента Квл и критерия напряженности (Пв) для боков и кровли одиночной выработки сводчатой формы поперечного сечения без учета влияния очистных работ Наименование пород и руд Кьт3 т/" 4Лвл К 2 Км2 К2 МПа а, МПа Кс Пвэт5/Категория устойчивости Пвком6/Категория устойчивости
Для прогнозирования состояния устойчивости вновь проводимых подготовительных выработок необходимо использовать пройденные на вышележащих слоях выработки в качестве разведочных. Их подробное обследование с выявлением потен 125 циально опасных зон позволит прогнозировать вероятность возникновения аварийных ситуаций, и планировать меры по предупреждению их возникновения до начала проходки по потенциально опасной зоне.
В ходе анкетирования должны определяться участки выработок, склонных к вы-валообразованию, с увеличенной пустотностью над крепью (при КМП-АЗ) и других опасных участков, состояние которых может быть отнесено к весьма неустойчивому. При проведении выработки вприсечку участки, примыкающие к этим зонам, также необходимо относить к весьма неустойчивым и крепить арочной крепью с затяжкой кровли. При обнаружении в выработках I и II категории устойчивости локальных зон ухудшения устойчивости (таких как включения более слабых руд) следует предусматривать для соответствующих участков выработки тип крепи, как для выработки с устойчивостью на категорию ниже [26, 28, 71].
Эксплуатационное состояние подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ обеспечивается обоснованным выбором типа спецпрофиля, плотности расстановки рам и соблюдением технологической дисциплины производства работ.