Введение к работе
Актуальность проблемы.
Крепление и поддержание горных выработок в устойчивом состоянии в период эксплуатации является одним из наиболее ответственных и ресурсоемких технологических процессов горного производства. Выбор крепи с недостаточной несущей способностью приводит к возрастанию риска внезапных обрушений, вероятности незапланированных простоев. Установка крепи с излишней несущей способностью становится причиной роста непроизводительных затрат.
При разработке месторождений полезных ископаемых Талнахского рудного узла применяемые типы крепей до настоящего времени рассчитывались и конструировались исходя из представлений, что вокруг подземных выработок действует симметричное относительно вертикали поле напряжений. Крепление горных выработок в соответствии с нормативными документами, разработанными на основе описанного подхода, в основном обеспечивало необходимую устойчивость их контура.
Однако имели место случаи разрушения рекомендованных крепей, например, в зонах тектонических нарушений на контактах геологических блоков. На одной и той же глубине в одних случаях деформации проявлялись в виде вывалов и разрушений кровли, в других - в разрушении и осыпании стенок выработки, пучении почвы. Это, а также отмечаемая зачастую ассиметричная форма вывалов в закрепленных выработках, уже ставило под сомнение правильность распространения существующих теоретических подходов на все возможные условия расположения горных выработок.
Анализ случаев разрушений различных типов крепей в широком диапазоне геотехнических условий показал, что несоответствие существующих представлений и принятых на их основе расчетных схем нагружения крепи фактическому состоянию пород и контура деформирующихся выработок особенно резко проявилось с переходом горных работ на глубокие горизонты. Результаты экспериментальных исследований, выполненных в последние десятилетия, позволяют предположить, что на глубоких горизонтах существенное влияние на устойчивость выработок начинает оказывать явление зональной дезинтеграции горных пород (открытие СССР № 400).
Применяемые конструкции крепи и методики расчетов ее параметров не учитывали особенности зонального деформирования и разрушения породного массива. Действующая методика выбора крепи предусматривала использование двух классификаций горных пород - по устойчивости (для выработок, расположенных в нетронутом массиве и зонах опорного давления) и по нарушенности (для выработок, расположенных в зонах разгрузки). В качестве критерия проявлений горного давления принимались только смещения породного контура за весь срок службы выработки без учета форм разрушений контура, характерных для тех или иных геомеханических условий эксплуатации. Это усложняло процесс подготовки проектно-
технической документации, а иногда приводило к принятию ошибочных решений по выбору крепи.
Создавшаяся ситуация обусловила актуальность проведения большого объема специальных исследований по определению закономерностей смещений и деформаций пород, характерных для различных геомеханических условий существования выработок, и на этой основе, разработки способов их крепления и поддержания, методик расчета крепи, которые соответствовали бы реальным горно-техническим и геомеханическим условиям эксплуатации выработок, повысили надежность обеспечения устойчивости.
Цель работы - развить научные основы и разработать способы крепления выработок, пройденных в предельно-напряженном горном массиве блочного строения, учитывающие установленные новые закономерности деформирования пород, обеспечивающие устойчивость породных обнажений.
Идея работы заключается в использовании предложенной классификации устойчивости горных пород, учитывающей тип геотехнических условий проведения и эксплуатации подземных выработок, устанавливаемый в зависимости от установленных новых закономерностей деформирования и разрушения блочного породного массива.
Методы исследований. При выполнении научно-исследовательских и научно-технических работ использовались следующие методы:
анализ и обобщение литературных фондовых, патентных материалов и технических разработок по теме диссертационных исследований;
лабораторные эксперименты методами физического моделирования на моделях из эквивалентных и оптически активных материалов;
шахтные эксперименты по изучению проявлений горного давления, деформирования и разрушения породного массива вокруг выработок с применением современных методов натурных исследований;
теоретическая обработка материалов лабораторных и натурных исследований с использованием методов механики деформируемого твердого тела, нелинейной геомеханики и статистического анализа.
Задачи исследований.
1. Выполнить типизацию геомеханических условий эксплуатации
горных выработок в условиях сплошной выемки мощных пологих ударо-
опасных рудных залежей Талнахско-Октябрьского месторождения с твер
деющей закладкой выработанного пространства.
-
Изучить особенности деформирования и разрушения массива горных пород применительно к основным типам геомеханических условий: в предельно-напряженном блочном массиве вне и в зоне влияния очистных работ, в подработанном и надработанном массиве, в окрестности тектонических нарушений, в условиях проявлений зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок.
-
Разработать методики расчета параметров крепи горных выработок для всех выделенных типов геомеханических условий их эксплуатации.
4. Разработать новые, экспериментально обоснованные технические решения и рекомендации по креплению, охране и поддержанию подземных горных выработок применительно к выделенным геомеханическим условиям их эксплуатации, провести работы по опытно-промышленным испытаниям и внедрению предложенных типов крепей.
Достоверность и обоснованность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается:
результатами большого объема комплексных исследований по изучению характера проявлений горного давления и форм деформирования и разрушения контура подземных выработок, выполненных в течение 20 лет на рудниках «Маяк», «Комсомольский», «Октябрьский», «Таймырский» и «Скалистый» Норильского ГМК им. А.П. Завенягина;
соответствием результатов экспериментов по изучению проявлений горного давления на моделях из эквивалентных и оптически активных материалов натурным данным, полученным в зоне влияния тектонических нарушений и в условиях проявлений зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок;
положительными результатами внедрения технологических решений и рекомендаций по креплению горных выработок и их сопряжений разработанными для этих условий основными видами крепи - усиленной комбинированной, сталеполимерной анкерной, предварительно напряженной железобетонной, усиленной набрызг-бетонной;
- включением рекомендаций автора в действующие нормативно-
методические документы.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
В условиях Талнахско-Октябрьского месторождения на глубинах порядка 200-1500 м разрушения крепи в выработках обусловлены несоответствием между нормативными документами по выбору крепи, базирующимися на представлениях о симметричном относительно вертикали поле напряжений в окрестности горной выработки, и фактически установленной асимметричной ориентировкой максимальных действующих напряжений относительно вертикальной оси поперечного сечения выработки.
-
Горные выработки, в зависимости от характера деформирования обнажений и форм разрушения контура, соизмеримости величины и скорости смещений приконтурных пород следует разделять на: пройденные и поддерживаемые в нетронутом массиве; пройденные и последовательно попадающие в зоны опорного давления, в условия надработки или подработки; пройденные в сильно нарушенных зонах в окрестности тектонических нарушений; пройденные в областях проявления зональной дезинтеграции горных пород.
-
Параметры крепи горных выработок в условиях проявления зональной дезинтеграции определяются с учетом переформирования блочного массива на расстоянии до 10-12 м от контура выработки в разнопроч-ную, слоистую геосреду с мощностью слоев от 0,6-0,8 до 1,2-1,7 м, обла-
дающую присущим ей характером развития деформаций и форм разрушения.
-
Тип, параметры и конструкция крепи устанавливаются на основе прогноза не только величин смещений кровли и действующих в массиве напряжений, но и обязательного учета возможных деформаций контура выработок и форм разрушений массива пород, характерных для тех или иных геомеханических условий проведения и эксплуатации выработок, приведенных в предложенной классификации.
-
Надежное обеспечение устойчивости выработок достигается при удовлетворении конструируемых крепей дополнительным требованиям, сформулированным и реализованным в настоящей работе.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Установлены неоднородность и асимметрия нагружения контура выработки в реальном горном массиве, приводящие к формированию на отдельных его участках, являющихся очагами последующего разрушения, зон концентрации напряжений, в 3-5 раз превышающих по величине прочность окружающего массива и несущую способность крепи.
-
Обоснована и построена номограмма, позволяющая производить прогноз смещений контура выработки при прочности пород на сжатие от 20 до 80 МПа в диапазоне глубин 200-1500 м для выработок, проводимых в массиве до начала очистных работ, в зоне опорного давления, в надрабо-танном и подработанном массиве.
-
Получены зависимости смещений кровли и объемов вывалов пород от взаимного расположения выработки и плоскости нарушения, размещения выработки в лежачем или висячем боку тектонического разлома. Выявлена основная форма вывалов пород из кровли выработок на участках тектонических нарушений с образованием несимметричного свода шатровой формы. Высота свода обрушения может превышать пролет выработки, а основную роль в разрушении контура играют тектонические горизонтальные напряжения, которые на месторождении превышают вертикальные в 1,4-1,6 раза.
-
Установлены ширина распространения зон дезинтеграции (до 7-12 м от контура выработки), а также величины конвергенции пород на контуре выработок при проявлении зональной дезинтеграции, на порядок превышающие величину смещений пород в выработках, в которых это явление не отмечено. При формировании зон дезинтеграции в проводимой выработке интенсивный рост смещений, достигающих 50-300 мм, наблюдается в течение 6-10 часов после проведения взрывных работ. При формировании зон дезинтеграции вокруг ранее пройденных выработок смещения развиваются практически мгновенно, также достигая указанных величин, часто вызывая повреждения крепи и вывалы пород.
-
Разработаны новые методики определения параметров крепи горных выработок на больших глубинах, в которых в качестве критерия проявлений горного давления принимается не только величина смещений их по-
родного контура за весь срок службы, но и формы разрушений контура, характерные для геомеханических условий эксплуатации.
6. Сформулированы и реализованы в новых конструкциях крепи дополнительные требования, обеспечивающие надежное поддержание подземных горных выработок, проводимых и эксплуатируемых в условиях проявления зональной дезинтеграции, в зонах тектонической нарушенности и воздействия асимметричных полей напряжений.
Практическая ценность работы.
-
Разработаны и испытаны новые конструкции: анкерной крепи с упруго-решетчатыми подхватами, создающими предварительный подпор по обнаженной поверхности кровли; комбинированной крепи со стойками усиления; железобетонной предварительно-напряженной крепи сопряжений; усиленной комбинированной крепи со сталеполимерными анкерами, двойным слоем набрызг-бетона и плоскими сварными решетками-подхватами.
-
Разработаны инженерные методики расчета параметров крепи применительно ко всем установленным типам геомеханических условий эксплуатации выработок на рудниках «Маяк», «Комсомольский», «Октябрьский», «Таймырский», и «Скалистый» Норильского ГМК.
-
Разработаны требования к крепи горных выработок в условиях проявлений эффекта зональной дезинтеграции породного массива и созданы системно-секционные крепи для этих условий.
Реализация работы.
Результаты работы используются в проектных и проектно-конструкторских организациях «Норильскпроект», «Гипроникель», «Полиметалл» при выполнении проектно-конструкторских работ, вошли составной частью в нормативно-методические документы, регламентирующие выбор вида, параметров и конструкции крепи горных выработок на рудниках «Заполярный», «Маяк», «Комсомольский», «Октябрьский», «Таймырский» и «Скалистый» Норильского горно-металлургического комбината; на предприятиях «СУБР» и «АЛРОСА»
Личный вклад автора заключается в:
постановке проблемы, организации и проведении широкомасштабных длительных исследований проявлений горного давления в горных выработках в различных геомеханических условиях их эксплуатации на рудниках Норильского ГМК;
постановке задач и разработке методики исследований на моделях из эквивалентных материалов;
выборе объектов исследований и руководстве опытно-промышленными испытаниями анкерной сталеполимерной и комбинированной усиленной крепей;
организации и проведении опытно-экспериментальных работ по изучению работоспособности новых разработанных типов и конструкций крепи горных выработок в условиях проявлений зональной дезинтеграции породного массива;
- получении основных научных результатов диссертации.
Апробация. Основные положения диссертации докладывались на Международной конференции по механике горных пород (Санкт-Петербург, 1996 г.), на Международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск 2005 г.), на Международной конференции «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (Новосибирск 2006, 2008 гг.), на региональной научно-практической конференции «Добыча и переработка руд Норильского промышленного района» (Норильск, 2005 г.), на заседании горной секции НТС Норильского горно-металлургического комбината (Норильск, 2005 г.), на научных семинарах в Институте горного дела СО РАН (Новосибирск, 2006, 2008 гг.), на секции Ученого совета по геомеханике ВНИМИ (Санкт-Петербург, 2006, 2007 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 26 опубликованных работах, в том числе, в изданиях, рекомендованных ВАК, - 15, в сборниках научных трудов и материалах всесоюзных конференций -4, а также в 3 монографиях, 3 нормативных документах и 1 учебном пособии.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 143 наименований, изложена на 297 страницах машинописного текста.
