Содержание к диссертации
Введение
Глава 1: Состояние изученности вопроса. Цель и задачи исследований 11
1.1. Геологические и горно-технологические особенности разрабатываемых месторождений 11
1.2. Обзор экспериментальных и теоретических исследований по оценке напряженнодеформированного состояния и удароопасности целиков и краевой части рудной залежи 16
1.3. Цель и задачи исследований 31
Глава 2: Методика пространственной оценки напряжений в зонах опорного давления 32
2.1. Горно-геологические и горнотехнические предпосылки к постановке задачи 32
2.2. Учет обрушения и сдвижения подработанных пород 47
2.3. Методика пространственной оценки напряженно-деформированного состояния краевой части рудной залежи и целиков различного назначения. Численный метод 51
2.4. Сопоставление результатов расчета с данными инструментальных исследований 62
Глава 3: Закономерности распределения напряжений в зонах опорного давления 76
3.1. Равномерное понижение линии фронта очистных работ 78
3.2. Равномерное понижение линии фронта очистных работ составлением барьерных целиков 88
3.3. Влияние техногенной податливости на напряженное состояние рудной залежи 97
3.4. Неравномерное понижение линии фронта очистных работ 108
Глава 4: Расчетный прогноз удароопасности при отработке пологих рудных залежей 118
4.1. Методика расчетного прогноза удароопасности 118
4.2. Прогноз удароопасности при равномерном понижении линии фронта очистных работ 123
4.3. Влияние барьерных целиков на снижение степени удароопасности рудной залежи 133
4.4. Влияние техногенной податливости на снижение степени удароопасности рудной залежи 142
4.5. Прогноз удароопасности при неравномерном понижении линии фронта очистных работ 151
Глава 5: Практические рекомендации 163
5.1. Оценка условий возникновения удароопасности в очистных блоках 164
5.2. Рациональные размеры выработанных пространств в условиях динамических форм проявления горного давления 166
5.3. Практическое использование разработанных номограмм 174
Заключение 178
Библиографический список 182
Приложение:
- Обзор экспериментальных и теоретических исследований по оценке напряженнодеформированного состояния и удароопасности целиков и краевой части рудной залежи
- Учет обрушения и сдвижения подработанных пород
- Равномерное понижение линии фронта очистных работ составлением барьерных целиков
- Прогноз удароопасности при равномерном понижении линии фронта очистных работ
Введение к работе
Актуальность работы. В России одним из наиболее стабильных и основных поставщиков высококачественного сырья для алюминиевого комплекса являются Североуральские месторождения бокситовых руд (ОАО «Севурал-бокситруда»,СУБР).
Интенсивная разработка месторождений Североуральского бокситового бассейна привела к необходимости освоения глубоких горизонтов с неблагоприятными горно-геологическими и геомеханическими условиями. Сложные горно-геологические условия (невыдержанная мощность рудной залежи, неравномерное оруденение: безрудные зоны и участки непромышленного орудене-ния, различие физико-механических свойств руд и вмещающих пород, тектоническая нарушенность) и горнотехнические условия (сложное взаимное влияние очистных работ, порядок ведения горных работ, применение систем разработки с оставлением целиков, большие площади обнажения кровли, повышенная из-резанность рудного массива) приводят к неравномерному перераспределению напряжений в горном массиве. При этом ситуация усугубляется по мере увеличения глубины разработки с постоянным ростом горного давления. Все вышеперечисленные факторы при определенных обстоятельствах приводят к опасности возникновения динамически активных областей с концентраторами повышенных напряжений, в которых возможно проявление горного давления в динамической форме (в виде горных ударов) с разрушением действующих выработок.
В настоящее время наиболее широко применяемой является камерно-столбовая система разработки (КССР). Она является самой эффективной по технико-экономическим показателям и наиболее сложной по обеспечению безопасной разработки по фактору проявления горных ударов.
Проявление геодинамической активности Североуральских бокситовых месторождений тесно связано с текущим состоянием горных работ. Опыт разработки месторождения показывает, что современное состояние горных работ на шахтах СУБРа не всегда и не в полной мере соответствует реальным геологическим и горнотехническим условиям, что объясняется неучетом пространственного характера распределения напряжений при проектировании параметров отработки бокситовой залежи.
Таким образом, создание методов расчета напряжений и оценки ударо-опасности при отработке пологих рудных залежей, направленное на учет широкого диапазона горно-геологических и горнотехнических условий ведения горных работ и базирующееся на пространственном математическом моделировании геомеханических процессов, является важной и актуальной задачей для теории и практики разработки рудных месторождений.
Исследованию напряженно-деформированного состояния массива горных пород и устойчивости различных элементов посвящены работы ученых С.Г. Авершина, А.А. Баряха, Н.С. Булычева, В.И. Борща-Компониеца, Н.П. Влоха, А.Н. Динника, Ю.Д. Дядькина, П.В. Егорова, Ж.С. Ержанова, Ю.М. Карташова, О.В. Ковалева, СТ. Кузнецова, A.M. Линькова, И.М. Петухо-ва, К.В. Руппенейта, В.Д. Слесарева, А.Н. Ставрогина, А.Б. Фадеева, Г.Л. Фи-сенко, А.И. Черникова, Л.Г. Шевякова, Е.И. Шемякина, В.М. Шика и др.
В этих работах отражены важнейшие положения механики горных пород и массивов, составляющих основу ее современного состояния. Анализ результатов этих исследований, углубивший представления о проблеме изучения напряженно-деформированного состояния пород, определил направление научного поиска при оценке устойчивых состояний краевых частей удароопасной рудной залежи и конструктивных элементов.
Анализ и обобщение натурных, экспериментальных данных позволили получить закономерности распределения напряжений в массиве горных пород при разработке пологих удароопасных рудных залежей, которые стали основой для проведения исследований по оценке устойчивости краевой части и несущих элементов методами механики сплошной среды и привели к развитию экспериментально-аналитических подходов решения задач горной практики. В изучение этого вопроса весомый вклад внесли работы А.А. Аксенова, Г.И. Богдано ва, В.И. Борща-Компониеца, Б.А. Вольхина, Г.Е. Гулевича, Н.Ф. Замесова, СВ. Кузнецова, М.В. Курлени, А.Б. Макарова, Е.И. Микулина, Р.Б. Мухамето-ва, В.Р. Рахимова, В.Г. Селивоника, В.Л. Трушко, А.А. Филинкова, А.Н. Шаба-рова, М.А. Шадрина и др.
Нельзя констатировать, однако, что вопросы пространственной оценки напряжений в зонах опорного давления и удароопасности при отработке рудных месторождений изучены в полной мере. Вышеизложенное позволило сформулировать задачи исследований, последовательность решения которых и определяет структуру работы.
Диссертационные исследования выполнены в соответствии с планом научно-исследовательской работы «Оценка безопасных условий применения камерно-столбовой системы разработки (КССР) при отработке удароопасных бокситовых месторождений Североуральска на современных глубинах и разработка рекомендаций по параметрам КССР для глубины 1000 м и более».
Целью работы является разработка методики пространственной оценки напряжений и удароопасности при отработке пологих рудных залежей в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях.
Идея работы заключается в использовании решения упругопластической пространственной задачи для расчета напряжений при отработке пологих удароопасных рудных залежей.
Задачи исследований:
1. На основе обобщения шахтных и лабораторных данных разработать геомеханическую модель массива горных пород применительно к выемке бок-ситовой залежи.
2. Разработать численный метод решения сформулированной задачи и провести его тестирование на примерах с известными горно-геологическими и горнотехническими условиями.
.. . 3. Установить закономерности и диапазон влияния основных горногеологических и горнотехнических факторов, естественной и техногенной податливости на напряженное состояние целиков и краевой части рудной залежи.
4. Установить закономерности проявления горного давления в динамической форме применительно к отработке бокситовой рудной залежи камерно-столбовой системой разработки.
5. Разработать рекомендации по практическому использованию полученных результатов.
Методы исследований. Для достижения поставленной цели использовались современные методы исследований, включающие: анализ и обобщение данных натурных и лабораторных исследований, методы теории упругости, пластичности и вычислительной математики. Результаты исследований сопоставлялись с данными натурных наблюдений и практики ведения горных работ.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Напряженное состояние конструктивного рудного элемента определяется его месторасположением относительно границ выработанного пространства, соотношением модулей .упругости вмещающих пород и руды в окрестности данного элемента, мощности рудной залежи и толщиной разгрузочной щели в месте расположения элемента.
2. Количественный.показатель удароопасности «7уд» на разрабатываемом участке рудной залежи определяется: степенью изрезанности краевой части рудного массива на данном участке, естественной и техногенной (наличием скважинной щелевой разгрузки) податливостью. Уменьшение величины этого показателя до безопасного уровня достигается вариацией указанных факторов в определенных интервалах.
3. Применение камерно-столбовой системы разработки на больших глубинах возможно и эффективно при условии уменьшения размера выработанно го пространства за счет оставления в отработке жестких опор, скважинной разгрузки или их комбинации.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректностью применяемого математического аппарата; систематическим использованием шахтных данных за проявлением горного давления; решением тестовых примеров; сопоставимостью результатов исследований с данными натурных наблюдений.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработана новая методика расчета напряжений в зонах опорного давления около очистной выработки произвольного пространственного очертания с учетом естественной и техногенной податливости рудной залежи и конструктивных элементов.системы разработки;
установлены закономерности распределения напряжений в зонах опорного давления с учетом влияния основных горно-геологических и горнотехнических факторов.
Личный вклад автора состоит:
- в анализе и обобщении существующих методов оценки напряженного и удароопасного состояния краевой части рудной залежи и целиков;
- в разработке нового численного метода расчета напряжений в конструктивных элементах камерно-столбовой системы разработки с совокупным учетом следующего диапазона горно-геологических и горнотехнических факторов: произвольных в размере и по конфигурации выработанного пространства и конструктивных элементов, произвольного месторасположения конструктивных элементов относительно границ выработанного пространства, различных физико-механических свойств вмещающих пород и руды, мощности рудной залежи и толщины разгрузочной щели.
в выявлении закономерностей распределения напряжений в зонах опорного давления рудной залежи и целиков;
- в выявлении основных горно-геологических и горнотехнических факторов, осложняющих проектирование и ведение горных работ камерно-столбовой системой разработки на современных глубинах, превышающих 800 м;
- в разработке практических рекомендаций применения камерно-столбовой системы разработки в условиях больших глубин и удароопасности Сеевероуральских бокситовых месторождений.
Практическая значимость работы.
Рекомендации и основные положения диссертационной работы внедрены на шахтах СУБРа для отработки удароопасных участков рудной залежи камерно-столбовой системой разработки. Разработки автора по прогнозированию и выявлению участков рудной залежи с повышенными концентрациями напряжений используются для решения вопросов, связанных с безопасным ведением горных работ.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований доведены до практического внедрения и используются на шахтах СУБРа для оценки напряжений в зонах опорного давления конструктивных элементов камерно-столбовой системы разработки.
Результаты исследований автора являются составной частью прогнозирования очагов в рудной залежи с повышенными концентрациями напряжений.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях секции по геомеханике Ученого Совета ВНИМИ (Санкт-Петербург, 1998-2002 гг); на международной конференции «Геомеханика в горном деле» (Екатеринбург, 2000 г); на техническом совете ОАО «Севурал-бокситруда» (Североуральск, 2000 г); на техническом совете УФ ВНИМИ (Екатеринбург, 2000-2002 гг).
Публикации.
По результатам выполненных исследований диссертантом самостоятельно и в соавторстве опубликовано 5 печатных работ.
Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю Петухову И.М., ученым института ВНИМИ: Аксенову А.А., Воскобоеву Ф.Н., Кротову Н.В., Сидорову B.C., Удалову А.Е., Филинкову А.А., Шабарову А.Н., сотрудникам ОАО «Севуралбокситруда»: Бутнякову А.В., Воинову К.А., Катаеву А.В., Микулину Е.И., Селивонику В.Г., Шадрину М.А., Шилько П.В., Широкову А.В. за помощь в проведении исследований, полезные советы и конструктивные замечания, высказанные при обсуждении результатов работы.
Обзор экспериментальных и теоретических исследований по оценке напряженнодеформированного состояния и удароопасности целиков и краевой части рудной залежи
Анализ публикаций, касающихся изучения напряженно-деформированного состояния массива горных пород, показывает, что в настоящее время имеется обширная научно-экспериментальная база, включающая значительный объем натурных и лабораторных наблюдений, а также разработки в области математических методов оценки напряженного состояния. Поэтому обзор имеющихся результатов исследований целесообразно осуществлять в следующем направлении: работы в области экспериментального изучения напряженно-деформированного состояния горного массива в натурных условиях; лабораторные испытания образцов руд и вмещающих пород с целью определения их физико-механических свойств; исследование процессов сдвижения, деформирования и перераспределения напряжений в массиве горных пород на моделях из эквивалентных материалов; аналитические методы расчета напряжений в окрестности очистных выработок. В связи с тем, что целью диссертационной работы является создание методики пространственной оценки напряжений с учетом удароопасности отработки Североуральских бокситовых месторождений, особое внимание следует уделить публикациям, посвященным оценке напряженного состояния краевой части рудной залежи, целиков и вмещающих пород применительно к прогнозу и предотвращению горных ударов.
Подробное рассмотрение и анализ существующих практических и аналитических методов оценки напряженно-деформированного состояния и удароопасности конструктивных элементов позволит наметить пути к созданию новой методики расчета напряжений и оценки удароопасности с учетом влияния ряда горно-геологических и горнотехнических факторов.
Работы в области экспериментального изучения напряженно-деформированного состояния горного массива в натурных условиях проводились: С.Г. Авершиным, К.А. Ардашевым, ЯЛ. Бичом, Б.А. Вольхиным,
Ф.Н. Воскобоевым, Г.Е. Гулевичем, Р.Б. Мухаметовым, И.М. Петуховым, А.Г. Шадриным и другими.
При наблюдениях установлено, что обрушение основной кровли до поверхности происходит тогда, когда пролет ее обнажения превышает определенную для данных горно-геологических условий и глубины залегания предельную ширину, причем, если пролет обнажения кровли меньше предельного, обрушение пород кровли носит ограниченный характер и происходит в контурах свода естественного равновесия. Вес пород кровли, находящихся выше контура свода естественного равновесия, перераспределяется на краевые части рудной залежи в форме опорного давления. Выявлено, что перераспределение давления приводит к образованию зон разгрузки и опорного давления, размеры которых непосредственно зависят от ширины выработки.
Определение напряженно-деформированного состояния опорных целиков показало, что характер и скорость деформаций зависят от соотношения деформационных характеристик целиков и вмещающих пород, а также от геометрии их расположения в очистном блоке. Установлено, что условия нагружения опорных целиков проходят последовательность от схемы, предполагающей, что целики испытывают давление равное весу вышележащих пород до схемы свода естественного равновесия. Инструментальными наблюдениями, проведенными на современных глубинах разработки, превышающих 800 м и выемочных блоках с минимальными размерами более 100 м; установлено, что на кромке краевой части рудной залежи реализуются условия нагружения в рамках остаточной прочности, и опорные целики в выработанном пространстве несут лишь пирамиду свода полных сдвижений.
Приведенные закономерности шахтных исследований имеют важное значение для формулирования граничных условий на почве очистного пространства. Система опорных целиков, расположенных в выработанном пространстве, может рассматриваться как своего рода закладочный массив, и, следовательно, для задания граничных условий может быть применен подход, основанный на аналогии с имеющимися процессами сдвижения подработанной толщи горных пород при разработке угольных месторождений. Таким образом, геометризация силовых граничных условий, предложенная в работах [18,77] для плоской задачи и в работе [68] для пространственной задачи, может быть взята за основу при задании силовых граничных условий с учетом наличия в выработанном пространстве системы опорных целиков.
Как отмечалось выше, часть веса подработанной толщи горных пород, формирующая нагрузки на опорные целики, в ряде случаев может быть не равна весу пород, заключенных в своде полных сдвижений. Зачастую это зависит от физико-механических свойств материала целиков. Как правило, эти свойства определяются при механических испытаниях образцов пород в лабораторных условиях. Лабораторные испытания образцов руд и вмещающих пород с целью определения их физико-механических свойств проводили В.И. Борщ-Компаниец, Б,А. Вольхин, А.Т. Карманский, Ю.М. Карташов, А.Б. Макаров, Р.Б. Мухаметов, А.Н. Ставрогин, Д.Ф. Хайрулин и др.
Натурные эксперименты показывают, что свойства образцов не соответствуют в полной мере свойствам руды краевой части залежи и целиков, находящихся в очистном пространстве. Объясняется это наличием структурного ослабления, масштабного и временного факторов. Однако тенденции к изменению прочностных характеристик образцов при испытаниях фиксируются совершенно четко.
Испытания образцов руды, представленной пестроцветными (яшмовид-ными) разновидностями боксита [80], показали, что увеличение отношения высоты образца к его ширине сопровождается резким снижением предела прочности на одноосное сжатие. Так, при отношении высоты к ширине образца равном h/d = 0,5, предел прочности на сжатие составляет с = 220 МПа, а при h/d =2,0 составляет о = 110 МПа. Разрушение при предельной нагрузке происходит мгновенно со взрывом. При разрушении целиков в естественных условиях пестроцветные бокситы обычно не разрушаются. Нагружение образцов промежуточной по прочностным характеристикам группы бокситов (светло-серых, темно-серых, красных немарких) показало, что разрушение последних при пре
Учет обрушения и сдвижения подработанных пород
Для определения напряженно-деформированного состояния рудной залежи необходимо знать распределение нагрузок в зоне влияния опорного давления, а также величины нагрузок, снимаемых с почвы очистной выработки. Как отмечалось выше, напряжения действующие в зонах опорного давления рудной залежи определяются в процессе решения упругопластической пространственной задачи. Значения нагрузок, приходящихся на почву очистной выработки, непосредственно зависят от взаимодействия кровли и почвы рудной залежи. Учет влияния этого взаимодействия на зону опорного давления осуществляется введением параметра сдвижения «q», соответствующего линейной аппроксимации напряжений, действующих на почву выработки.
Закономерности и характер сдвижения подработанной толщи пород зависят от вида применяемой системы разработки в связи с тем, что каждая из них имеет свои специфические технологические особенности. В то же время следует отметить, что в основе учета сдвижения подработанных пород, вне зависимости от разновидности применяемой системы разработки, лежат общие геомеханические принципы. Поэтому перед выявлением закономерностей и характера сдвижения подработанных пород при использовании камерно-столбовой системы разработки остановимся на рассмотрении формирования граничных условий при отработке рудной залежи системами без естественного поддержания очистного пространства.
При наличие контакта между почвой и кровлей постановка задачи не меняется, изменяются лишь напряжения, задаваемые на границе выработки внутри очистной выработки ABCD (рис. 2.4). Вопрос о том, каковы они, весьма сложен.
В то же время характер влияния сдвижений пород кровли на опорную зону ясен - рудная залежь несколько разгружается. Таким образом, эмпирический учет обрушения кровли должен быть связан с уменьшением дополнительных сил, приложенных к почве выработки.
Метод учета обрушения и сдвижения пород кровли использует некоторые закономерности, установленные опытным путем. Подробное изложение этого метода для условий плоской и пространственной задачи приведено в работах [18,77].
По данным наблюдений над выработкой достаточно больших размеров, образуется так называемая зона полных сдвижений (свод естественного равновесия). Проекция призматической зоны полных сдвижений в прямоугольнике ABCD (рис. 2.4) представляет собой плоский многоугольник, состоящий из двух треугольников ABOi, DO2C и двух трапеций DAO[02 и О2О1ВС. При этом плоскости ABOi, DO2C, DAO1O2 и О2О1ВС наклонены под углами полных сдвижений v/3 = 50-60 к плоскости выработки.
Рассмотрим предельный случай, когда на почву выработки действует полный вес пород, заключенных в зоне полных сдвижений. Это дает в большинстве случаев завышенные нормальные нагрузки на почву. Граничные условия для дополнительных напряжений, снимаемых с почвы выработки, qz , выраженных в долях yil, задаются по следующим формулам: параметр сдвижения; расстояние от центра выработки до рассматриваемой точки в долях полуширины выработки. Формулы (2.15) и (2.16) справедливы, когда рудная залежь достаточно мощная, чтобы породы, деформировавшиеся в зоне полных сдвижений, могли отделиться по контуру этой зоны, т.е., чтобы в вершине свода естественного равновесия полные напряжения адполн были равны нулю. Однако, так как в процессе сдвижения породы расширяются и разуплотняются, то может оказаться, что при некоторой мощности рудной залежи дальнейшее свободное расширение станет невозможным. Тогда в вершине свода естественного равновесия появится дополнительная нагрузка. При малой мощности рудной залежи это будет происходить почти вслед за образованием выработки. Обозначим через уъ величину угла давления при недостаточной для полной разгрузки мощности рудной залежи. Исходя из линейной аппроксимации
Равномерное понижение линии фронта очистных работ составлением барьерных целиков
Влияние барьерных целиков на напряженное состояние рудной залежи исследовалось при изменении количества барьерных целиков, оставляемых в выработанном пространстве, от 1 до 5 м. Размер выработанного пространства по падению принимался равным 400 м. Ширина барьерных целиков принималась равной 20,0 м. Основные расчетные схемы представлены на рис. 3.8-3.10.
Результаты расчетов нормальных к напластованию напряжений действующих в максимуме опорного давления рудной залежи для центральной области (точки А, В и С) при мощности рудной залежи и барьерных целиков равной 6,0 м, глубине ведения горных работ 1000 м, представлены на рисунке 3.11.
На рис. 3.11 исследуется зависимость величины а от количества барьерных целиков, оставляемых в выработанном пространстве в условиях отработки различных разновидностей бокситовых руд (как и на предыдущих рисунках пунктирные кривые соответствуют абсолютно-жесткой схеме, а сплошные кри вые - с учетом податливости соответствующей разновидности бокситовых руд). Из рассмотрения графиков следует, что чем больше барьерных целиков оставлено в выработанном пространстве, тем меньше величина а в зоне опорного давления в краевой части рудной залежи. Видно также, что степень снижения напряжений уменьшается с ростом количества барьерных целиков. Наиболее существенно сказывается оставление целиков из пестроцветных бокситов, меньшее влияние на степень снижения величины а оказывает оставление целиков из красных немарких бокситов и минимальное влияние - оставление в выработанном пространстве барьерных целиков из красных марких бокситов, особенно большой мощности. За счет своей значительной податливости такие целики интенсивно стремятся «уйти» из-под нагрузки, в результате чего целики могут потерять свое назначение жесткой опоры, способной принимать нагрузки на себя и тем самым существенно разгружать краевую часть рудной залежи.
Влияние барьерных целиков на распределение нормальных к рудной залежи напряжений, действующих в максимуме опорного давления при ее различной мощности, исследовалось при изменении количества барьерных целиков, оставляемых в выработанном пространстве, от 1 до 5 м. Значения мощности, при численных расчетах, принимались в пределах от 2,0 до 10,0 м (мощность барьерных целиков и рудной залежи принимались одинаковыми). В качестве руд рассматривалась разновидность красных немарких бокситов с модулем упругости 1,5-104 МПа, глубина Н принималась равной 1000 м. Результаты расчетов показателей удароопасности краевой части рудной залежи, в центральной области (точки А, В и С, рис. 3.8-3.10), в зависимости от количества барьерных целиков в выработанном пространстве и величины мощности рудной залежи, представлены на рисунке 3.12.
На рис. 3.12 показано влияние отрабатываемой мощности красных немарких бокситов на величину напряжений о-тах, действующих в максимуме опорного давления, при различных вариантах оставления в выработанном пространстве барьерных целиков. Из рассмотрения графиков следует, что увеличе ние отрабатываемой мощности и увеличение количества оставляемых в выработанном пространстве барьерных целиков приводит к снижению величины атм. Максимальных значений величина ттах достигает при малой отрабатываемой мощности бокситовых руд (m = 2,0 м) и при отсутствии барьерных целиков в выработанном пространстве. Минимальных значений величина сгтгч достигает при большой отрабатываемой мощности бокситовых руд (ш = 10,0 м) и наличии пяти барьерных целиков в выработанном пространстве. Отношение /? максимального к минимальному значению достигает примерно трех (/? = 298,4/105,6), то есть использованием геологического фактора (мощности отрабатываемой залежи) и технологического фактора (оставлением барьерных целиков с различной высотой подэтажа) можно активно управлять коэффициентом концентрации напряжений в зоне опорного давления.
Влияние барьерных целиков на закономерности распределения напряжений в рудной залежи при различных соотношениях модулей упругости вме щающих пород и рудной залежи, исследовалось при изменении количества барьерных целиков, оставляемых в выработанном пространстве, от 1 до 5 м. Мощность рудной залежи принималась равной 6,0 м, глубина работ 1000 м. Результаты расчетов показателей удароопасности краевой части рудной залежи, в центральной области (точки А, В и С, рис. 3.8-3.10), в зависимости от количества барьерных целиков в выработанном пространстве и различных соотношениях модулей упругости вмещающих пород и рудной залежи, представлены на рисунке 3.13.
На рис. 3.13 исследуется влияние соотношения модулей упругости руды и вмещающих пород на величину атшк при различном количестве оставляемыхв выработанном пространстве барьерных целиков. Несмотря на то, что эти графики в каком-то смысле аналогичны графикам, построенным для типичных разновидностей бокситовых руд и представленным на рис. 3.12, они являются полезными в том .плане, что величина безразмерного параметра Ер/Еп позволяет оценить тенденции в изменении величины Ер/ Еп на величину а . Это касается оценки влияния пачек «ложной» кровли, присутствующих в покрывающих породах, на величину приведенного модуля упругости Е п в сторону его уменьшения, и как следствие, к увеличению величины сг, .
Из анализа графиков, представленных на рис. 3.13, следует, что увеличение количества оставленных в выработанном пространстве барьерных целиков приводит к уменьшению величины сг, независимо от величины параметра Ер/ Еп. С ростом параметра Ер/ Еп кривые изменения а обращены выпуклостью вверх, что свидетельствует об уменьшении скорости изменения атах с ростом Ер/ Еп. Наиболее сильно величина ЕР/ Еп влияет в интервале О Ер/Еп 0,5, более слабо в интервале 0,5 Ер/Еп , 1,5, поэтому более эффективным является управление податливостью рудной залежи в интервале 0 - Ер/ Еп 0,5. Из рассмотрения графиков, представленных на рис. 3.13, следует также, что наиболее сильно влияют на снижение величины amaii первые два барьерных целика. Дальнейшее увеличение количества оставленных барьерных целиков слабо увеличивает разгружающий эффект за счет них, как дополнительных опор в выработанном пространстве.
Влияние расстояния между барьерными целиками и глубины разработки на величину нормальных напряжений, действующих в максимуме опорного давления рудной залежи, исследовалось при изменении расстояния между барьерными целиками: абц = 50,0 м (N6n = 5), абц = 85,0 м (N&n = 3), абц = 190,0 м (N6u = 1), абц = 400,0 м (N64 = 0) и в интервале глубин: 600-1400 м. Мощность рудной залежи и высота барьерных целиков принималась равной 6,0 м, модули упругости руды залежи и целиков 1,5-104 МПа (красный немаркий боксит). Результаты расчетов показателей удароопасности краевой части рудной залежи, в центральной области (точки А, В и С, рис. 3.8-3.10), в зависимости от расстояния между барьерными целиками и глубины разработки, представлены на рисунке 3.14.
Прогноз удароопасности при равномерном понижении линии фронта очистных работ
Влияние размера выработанного пространства (расстояния между естественными опорами: безрудными участками, зонами непромышленного орудене-ния, краевыми частями рудной залежи) на степень удароопасности рудной залежи, исследовалось при изменении пролета между опорами по падению от 40 до 400 м, с интервалом 40 м. Результаты расчетов показателей удароопасности краевой части рудной залежи, в центральной области (точки А, В и С, рис. 3.1), при различных значениях размеров выработанных пространств, мощности равной 6,0 м и глубине 1000 м, представлены на рисунке 4.1.
Анализ результатов расчета напряжений, выполненный в главе 3, показал, что податливость бокситовых руд приводит к положительному эффекту разгрузки рудной залежи. Из рассмотрения графиков, представленных на рис. 4.1, следует, что эффект влияния податливости при оценке удароопасности кромки рудной залежи значительно сильнее. Так, если для пестроцветных бокситов снижение показателя удароопасности составляет 10 15 %, для красных немарких бокситов это снижение составляет 30 40 %,-то для красных марких бокситов снижение показателя удароопасности т]уд при больших размерах выработанного пространства достигает 50 60 %.
Из рассмотрения графиков, представленных на рис. 4.1, следует также, что увеличение ширины очистной выработки существенно влияет на изменение показателя удароопасности Т7УД в сторону его увеличения. Темп его роста различный в зависимости от разновидности бокситовых руд, слагающих рудную залежь. Так, для менее прочных разновидностей бокситовых руд (красного маркого боксита) при изменении размера выработанного пространства «а» от 40 до 400 м имеет место увеличение показателя удароопасности yrjyn примернов 2 раза, для красного немаркого боксита величина т]уд увеличивается примернов 3,5 раза, а для наиболее прочных разновидностей бокситовых руд (пестро-цветного боксита) величина tjyR увеличивается примерно в 5 раз, то есть темпроста показателя удароопасности т]УЛ рудной залежи увеличивается с ростомпрочности бокситов. Таким образом, при одной и той же ширине выработанного пространства, опасность тем выше, чем прочнее бокситовые руды. Этот результат подтверждается и шахтными исследованиями удароопасности бокситов с увеличением размеров выработанного пространства, так, в работах [64,74], показано, что с ростом ширины выработанного пространства при одной и той же глубине разработки «Н», изменение предельного пролета очистного пространства подчиняется следующим закономерностям: минимальный с точки зрения удароопасности пролет имеет место при отработке пестроцветных бокситов, этот пролет увеличивается при отработке красных немарких бокситов и достигает значительной величины при отработке красных марких разновидностей бокситовых руд.
Влияние мощности на степень удароопасности рудной залежи исследовалось при изменении величины мощности от 2,0 до 10,0 м. Результаты расчетов показателей удароопасности краевой части рудной залежи, в центральной области (точки А, В и С, рис. 3.1), при различных значениях мощности рудной залежи, размере выработанного пространства по падению 120,0 м, глубине 1000,0 м, представлены на рисунке 4.2.
Из рассмотрения графиков, представленных на рис. 4.2, следует, что чем мощнее отрабатываемая залежь, тем меньше величина показателя удароопасности 7Уд Эта тенденция имеет место как при учете податливости рудной залежи, так и без ее учета (жесткая схема). Однако учет податливости рудной залежи дает дополнительные резервы. Так, условие отсутствия удароопасности (/7уД 1) в рассматриваемых горнотехнических условиях при отработке красныхмарких бокситов реализуется в рамках жесткой схемы при мощности отрабатываемой залежи, равной или превосходящей 6,0 м, а при учете естественной податливости - при мощности, равной или превосходящей 4,0 м; при отработке красных немарких бокситов: в рамках жесткой схемы при мощности, равной или превосходящей 10,0 м, а при учете податливости - при мощности, равной или превосходящей 6,0 м.
Влияние модуля упругости материала рудной залежи на величину показателя удароопасности, в центральной области (точки А, В и С, рис. 3.1), исследовалось при его изменении от 0,5-104 МПа (красный маркий боксит) до 6,5-104 МГТа (пестроцветный боксит), при изменении мощности от 2,0 до 10,0 м, размере выработанного пространства по падению 120 м, глубине 1000 м. На рис. 4.3 показано влияние соотношения модуля упругости рудной залежи и модуля упругости вмещающих пород на изменение величины показателя удароопасности 7уд
