Введение к работе
Актуальность работы. Большинство рудных месторождений полезных ископаемых не имеют четко обозначенных границ, и при добыче руды открытым способом за контуром карьеров остаются залежи, разработка которых на определенном этапе считается не рентабельной, как правило, из-за небольших размеров или низкого содержанием полезного компонента. С развитием карьеров запасы, залегающие в благоприятных для добычи условиях, истощаются, и становится целесообразным вовлекать в отработку руды с более низким содержанием металла, чему так же способствует постоянное совершенствование технологии извлечения и переработки более бедных руд. При этих условиях ряд рудных залежей, находящихся за бортами карьера, становится перспективным к извлечению.
Одним из вариантов поддержания объемов добычи является вовлечение в разработку подземным способом залежей, расположенных в прибортовом массиве карьера. Такому способу эксплуатации свойственно влияние на горный массив комплекса нагрузок, возникающих при совмещении во времени работ в карьере и подземных горных выработках, приводящие к изменению значений напряженно-деформированного состояния, как вблизи поверхностей горных выработок, так и в глубине массива.
Вопросам комбинированной разработки рудных месторождений, в частности приконтурных запасов карьеров, посвящены работы ученых А.В. Арсентьева, Д.М. Бронникова, Ж. В. Бунина, Ю.В. Волкова, Ю.В. Демидова, Д.М.Казикаева, Д.Р. Каплунова, А.С. Малахова, М.В. Рыльниковой, К.Н. Трубецкого, В.А. Шестакова и др. В них установлено, что технология такой разработки сопряжена с изменением основных процессов, связанных с добычей руды, сложившихся на горнодобывающем предприятии за время его существования, и характеризуется тем, что горно-геологические условия и физико-механические характеристики горных пород, а также поля напряжений в горном массиве уже достаточно хорошо изучены в течение времени существования рудника.
Вопросами влияния естественных нагрузок на горные выработки массива занимались ученые д.т.н. А. Гейм, А.Н. Динник, Д.М. Казикаев, И.М. Петухов и др. В их работах сформулирован основной принцип учета гравитационных и тектонических сил при расчете устойчивости подземных горных выработок.
Изучению воздействия динамических нагрузок (в частности при проведении взрывов) на горный массив и снижению негативных последствий от них на горные выработки посвящены работы ученых В.В. Адушкина, В.Л. Барона, А.А. Гурина, С.А. Козырева, Н.В. Мельникова, В.Н. Мосинца, В.Н. Опарина, М.А. Садовского, А.А. Спивака, А.Н. Ханукаева, Е.И. Шемякина и др. В них рассмотрена физическая природа распространения сейсмических колебаний при проведении взрывных работ, комплекс инженерных методов управления сейсмическим действием взрыва, а так же комплексы инженерных методов управления энергией взрыва при разработке месторождений полезных ископаемых, как открытым, так и подземным способом.
При переходе на комбинированный способ разработки месторождения приходится корректировать существующие и разрабатывать новые технологические режимы ведения горных работ. В процессе их разработки одним из основных условий является обеспечение сохранности действующих горных выработок, устойчивость которых определяется по результатам прогнозных расчетов проводимых с использованием зависимостей позволяющих прогнозировать значение нагрузкок на подземные горные выработки. В качестве исходных данных для этих зависимостей используют значения, полученные в результате экспериментальных исследований степени воздействия комплекса сил на горные выработки, возникающих в условиях действующего рудника. Достоверность и оперативность исходных данных существенно зависят от методов их получения, сбора и анализа, что в конечном итоге влияет на качественные характеристики технологических операций горного производства.
Вышеизложенное подтверждает актуальность разработки метода оценки устойчивости горных выработок в прибортовом массиве карьера при комбинированной разработке рудного месторождения.
Цель работы: состоит в разработке метода оценки устойчивости подземных горных выработок для обеспечения их сохранности при отработке рудных залежей, расположенных в прибортовом массиве карьера, при комбинированном способе разработки месторождений.
Идея работы: состоит в определении величины и направления действия на подземные горные выработки динамических нагрузок, возникающих при буровзрывных и погрузочно-доставочных работах, в зависимости от их технологических особенностей и мест проведения по параметрам вибрации поверхностей обнажений горного массива в районе разработки прибортовых запасов карьера.
Основные задачи исследования:
1) Анализ геомеханических и горнотехнических факторов, влияющих на напряженно-деформируемое состояние горного массива, в районе подземных выработок при разработке прибортовых запасов карьера;
2) Разработка методики проведения измерений параметров колебаний участка борта карьера и обнажений подземных выработках аппаратурой измеряющей уровни вибрации.
3) Проведение экспериментальных исследований параметров вибрации поверхностей горного массива в условиях действующего производства: при отсутствии ведения горных работ (фоновой вибрации), при взрывах в карьере и подземном очистном блоке, а так же при работе мощного экскаватора вблизи предполагаемого портала штольни на борту карьера.
4) Разработка зависимости позволяющей рассчитывать скорости колебании обнажения подземной горной выработки, учитывая специфические особенности массового взрыва и места его проведения в карьере.
5) Разработка метода оценки устойчивости горных выработок в прибортовом массиве карьера при комбинированной разработке рудного месторождения.
Объект исследований: подземные горные выработки и участки борта карьера в районе ведения разработки его прибортовых запасов.
Предмет исследований: параметры вибрации поверхностей горных выработок в районе разработки прибортовых запасов при ведении горных работ в карьере и подземных горных выработках.
Основные защищаемые положения:
1) параметры упругих колебаний обнажений горного массива, возникающих при ведении горных работ, можно определять по показаниям сейсмоизмерительной и виброизмерительной аппаратуры, вводя коэффициент пересчета измеренных значений.
2) Коэффициент учета сейсмических свойств массива горных пород Ксейсм в разработанной формуле расчета скорости колебания участка борта карьера при массовых взрывах, должен определяться как отношение произведения приведенного расстояния и измеренной скорости колебания частиц грунта к произведению скорости детонации взрывчатого вещества, объема заряженного взрывчатого вещества и коэффициента заполнения скважины.
3) Скорость колебания обнажения подземных горных выработок, расположенных в прибортовом массиве карьера, определяется из произведения значения скорости колебания обнаженной поверхности борта карьера и экспоненциальной зависимости отношения расстояния от борта карьера до подземной горной выработки к расстоянию от места проведения взрыва до подземной горной выработки с учетом коэффициента учета оссобенностей затухания упругих колебаний в горном массиве.
Методы исследования: для решения поставленных задач использован комплексный метод исследований, включающий: изучение, анализ и обобщение отечественного и мирового опыта по библиографическим и патентным материалам; анализ геомеханических процессов, протекающих в прибортовых зонах при ведении работ в карьере, исследование напряженно-деформированного состояния горного массива; проведение экспериментальных исследований в условиях действующего производства; обработка экспериментальных данных методом математической статистики; сопоставление полученных экспериментальных данных с результатами аналитических исследований.
Научная новизна работы:
1. Установлена зависимость между скоростью колебания участка борта карьера при проведении массовых взрывов в различных его частях, учитывающая, объем взрываемого вещества, технологию проведения взрывных работ, особенность распространения упругих волн по сферической поверхности карьера, по его дну и по бортам, от места проведения взрыва до участка измерения.
2. Получена зависимость между скоростью колебания обнажений подземных горных выработок, расположенных в прибортовом массиве карьера от отношения кратчайшего расстояния по горному массиву от борта карьера до подземной горной выработки к расстоянию от места проведения взрыва до подземной горной выработки.
3. Установлено, что уровни вибрации обнажений горного массива вблизи работающего мощного карьерного экскаватора в ряде случаев сопоставимы с уровнями вибрации обнажений горного массива, возникающими при массовом взрыве (например, для условий месторождения Мурунтау внедрение ковша емкостью 26 м3 в раздробленную горную породу и сброс горной породы массой 35 т в кузов карьерного автосамосвала вызывают вибрацию на обнажении борта карьера, аналогичную вибрации, вызываемой взрывом ВВ Нобелан2080 массой 270 т на расстоянии 1,2 км).
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждается: применением многократно апробированных методических подходов для решения задач, связанных с исследованием и оценкой нагрузок, действующих на горные выработки при разработке золоторудных месторождений, представительностью и надежностью исходных данных, достаточным для однозначных выводов объемов проведенных экспериментов, обработкой экспериментальных данных методом математической статистики, использованием измерительной аппаратуры, прошедшей государственную поверку.
Научная значимость: состоит в разработке и обосновании метода оценки устойчивости подземных горных выработок в прибортовом массиве карьера с учетом технологических особенностей ведения горных работ при комбинированной разработке рудных месторождений на горнодобывающих предприятиях с различными горно-геологическими условиями и горно-технологическими режимами.
Практическая значимость: заключается в возможности использовании разработанного метода оценки устойчивости подземных горных выработок в прибортовом массиве карьера при комбинированной разработке рудных месторождений практически на всех рудниках без существенной корректировки.
Личный вклад автора заключается:
1) в постановке задачи исследований, сборе, анализе и систематизация научных материалов, посвященных формированию нагрузок на участках горного массива вблизи бортов карьера и подземных горных выработках, в зависимости от его свойств и воздействующих на него сил.
2) разработки методики, и, согласно её положениям организации проведения экспериментальных исследований параметров колебания частиц участка обнажения подземных горных выработок, возникающей при различных технологических операциях в карьере и подземных горных выработках.
3) установлении эмпирических зависимостей между параметрами взрыва, местом его проведения в карьере, характеристиками горного массива и параметрами вибрации участков борта карьера и обнажений подземных горных выработок.
Апробация работы: результаты, основные положения и выводы доложены на научных конференциях «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (ИПКОН РАН 2009), «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых», «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке полезных ископаемых» (РГГРУ 2010, 2011 2012), Международной научно-практической конференции «Инновация-2011» (ТашГТУ, Узбекистан 2011).
Публикации: По результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ, в том числе 4 в журналах, рецензируемых ВАК РФ, оформлены две заявки на изобретение по которым принято решение о выдачи патентов РФ, получен патент РФ на изобретение полезной модели.
Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 137 наименований, изложенных на 131 листах машинописного текста, содержит 55 рисунков и 28 таблиц.
