Введение к работе
Актуальность работы. В связи с ведением горных работ на больших глубинах, что наблюдается в настоящее время на действующих рудниках, усложняются горно-геологические условия разработки месторождений из-за проявлений горного давления в виде: вывалообразований в выработках, обрушений камер, целиков и, особенно, горного удара. В настоящее время большинство рудных месторождений на глубоких горизонтах испытывают проявления горного давления в виде локальной концентрации напряжений в кровле, стенках камер и целиков, приводящие к их обрушению.
Традиционными методами борьбы с проявлениями горного давления и снятий напряжений (разгрузке) являются: управление обрушением пород, надработка напряженных участков массива руды, применение одностадийной выемки, создание искусственной податливости пород, обеспечение устойчивой формы, крепления и месторасположения выработок, бурение разгрузочных скважин (щелей) и камуфлетное взрывание. При реализации этих методов отличительной особенностью являются большие затраты труда и времени, а иногда и остановка горных работ, что увеличивает себестоимость добываемого полезного ископаемого.
Одним из перспективных направлений борьбы с проявлениями горного давления является управление свойствами и состоянием пород поверхностно-активными веществами (ПАВ). Эффективность ПАВ как средства воздействия на изменения свойств горных пород доказана, однако, применительно к снятию концентрации напряжений в перенапряженных зонах массива горных пород, они не получили широкого распространения. Это обусловлено тем, что в существующих методах определения оптимальной концентрации ПАВ, насыщения и контроля процесса насыщения породных массивов активными растворами, не учитывается механизм прорастания трещин от соотношения главных напряжений, действующих в массиве горных пород, снижение концентрации напряжений в местах возможного проявления горного давления от количества и состава ПАВ. Поэтому решение задачи по разработке метода прогнозной оценки снижения концентрации напряжений в массиве горных пород ПАВ при комбинированной разработке месторождения в гористой местности является актуальной.
Объект исследований – прогнозная оценка по предотвращению обрушений горных пород на медно-никелевом руднике «Шануч».
Предмет исследования - закономерности воздействия поверхностно-активных веществ на прочностные и деформационные свойства горных пород, что разгружает массив в местах возможного обрушения пород.
Цель работы — разработка метода оценки снижения напряжений в массиве горных пород поверхностно-активным веществом при комбинированной разработке месторождения, что приводит к разгрузке массива горных пород и предотвращает его от обрушения.
Идея работы — снижение величины коэффициента концентрации напряжений в местах возможного обрушения пород достигается путем использования установленных закономерностей воздействия поверхностно-активных веществ на изменения прочностных и деформационных свойств массива горных пород.
Основные задачи исследований:
-
Анализ опыта комбинированной разработки рудных месторождений с применением систем с обрушением руды и вмещающих пород.
-
Оценка существующих методов прогнозирования проявлений горного давления на рудниках, ведущих разработку комбинированным способом.
-
Исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород в прикарьерной зоне.
-
Разработка метода прогнозной оценки снижения концентрации напряжений в массиве горных пород при воздействии на них поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Методы исследований: существующие методики изучения прочностных свойств трещиноватых горных пород; проведение математического и физического моделирования распределения напряжений в прикарьерном массиве под дном карьера; оценка получаемых результатов с позиций теории вероятностей и математической статистики; аналитические исследования закономерностей на основе фундаментальных законов физики твердого тела (горных пород).
Защищаемые научные положения:
-
При комбинированной разработке месторождения под дном карьера в гористой местности коэффициент концентрации напряжений в массиве вмещающих пород для условия предельного, устойчивого состояния зависит от прочностных и плотностных свойств массива горных пород, его трещиноватости, нагрузки на подземные горные выработки от снежной рудо-породной подушки при сходе снежной лавины и изменяется от глубины разработки по гиперболическому закону.
-
Величина мощности зоны влияния карьера на окружающий подкарьерный массив, соответствующая предельной глубине пластических деформаций, зависит от углов наклона бортов карьера, коэффициента, учитывающего степень нарушенности массива прикарьерных пород трещинами и коэффициента концентрации напряжений (опорного давления) в массиве и изменяется от среднего расстояния между магистральными трещинами по экспоненциальному закону.
-
Снижение предела прочности пород на одноосное сжатие при полном насыщении массива раствором поверхностно-активного вещества (ПАВ) со временем изменяется по гиперболическому закону и в среднем составляет около 50 % в течение 6-8 суток, а при дальнейшем насыщении породы свыше 8 суток прочность изменяется всего лишь на 17-20%.
Достоверность научных положений, выводов и результатов работы обеспечивается достаточным объемом экспериментальных исследований с применением физического и математического моделирования по выявлению перенапряженных зон при комбинированной разработке месторождения в гористой местности; удовлетворительным соответствием аналитических расчетов с результатами лабораторных испытаний по насыщению массива растворами ПАВ; хорошей сходимостью данных моделирования с коэффициентом корреляции (0,9), непротиворечивостью полученных результатов фундаментальным данных положениям физики твердого тела (горных пород).
Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:
установлена взаимосвязь степени нарушенности массива пород трещинами, определяемый коэффициентом Км, от периметра выработки по модулю относительной трещиноватости (отношения периметра выработки к среднему расстоянию между магистральными трещинами на обнажении выработки);
определена зависимость коэффициента концентрации напряжений в массиве вмещающих пород от прочностных и плотностных свойств массива горных пород, его трещиноватости, нагрузки на подземные горные выработки от снежной рудо-породной подушки при сходе снежной лавины, которая от глубины разработки;
обоснована величина зоны влияния карьера на окружающий прикарьерный массив, изменяющаяся от среднего расстояния между магистральными трещинами по гиперболическому закону;
доказано, что снижение предела прочности пород на одноосное сжатие при полном насыщении массива раствором поверхностно-активного вещества (ПАВ) со временем изменяется по гиперболическому закону и в среднем составляет около 50 % в течение 6-8 суток.
Практическая значимость работы заключается в разработке методики прогнозной оценки снижения концентрации напряжений в массиве горных пород ПАВ при комбинированной разработке месторождения в гористой местности на примере рудника «Шануч».
Личный вклад автора состоит в: экспериментальных исследованиях по определению физико-механических свойств пород, трещиноватости массива и влияния ПАВ на прочностные и деформационные свойства горных пород; проведении математического и физического моделирования для выявления перенапряженных зон в массиве, приводящих к возможному обрушению пород; получении основных выводов и рекомендаций работы.
Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований будут учтены в проекте ГУП «Сибгипрозолото» и института «Гипроцветмет» по разработке опытно-промышленного участка (ОПУ) медно-никелевого месторождения «Шануч» при выемке подкарьерных запасов подземным способом с применением систем с обрушением, а также при проведении занятий по курсам «Геомеханика» и «Управление состоянием массива» в разделе «Негативные последствия проявления горного давления на рудных месторождениях».
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на: IX Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» апрель 2009 год, РГГРУ; VI Международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых, 6-9 апреля, М., 2010; X Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» апрель 2011 год, РГГРУ; VII Международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых», 30 марта-5 апреля 2012; Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в науке о Земле», Начальчик, 2012.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах, из них 2 статьи в ведущем рецензируемом научном журнале, рекомендуемом ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение, заключение, 16 таблиц и 48 рисунков, список использованной литературы из 118 наименований.
