Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время подземную разработку рудных месторождений, в подавляющем большинстве приуроченных к трещиноватым массивам скальных горных пород, ведут на глубинах свыше 0,5 км при все более усложняющихся геомеханических условиях и росте интенсивности негативных проявлений горного давления, что создает существенные технические и социально-экономи-ческие проблемы Особенно сложные ситуации возникают при применении систем с обрушением руды и вмещающих пород, которые являются основными системами при подземной разработке мощных рудных залежей Их характерной особенностью является наличие крупномасштабных зон обрушения провалов земной поверхности шириной в сотни метров, формирующихся над выработанными пространствами, которые существенно изменяют первоначальное напряженно-деформированное состояние больших объемов окружающего горного массива, оказывая значительное влияние на устойчивость горных выработок. Сложно становится обеспечивать устойчивость капитальных выработок большого сечения, пролетом порядка десяти метров и более, в том числе таких ответственных объектов, как стволы шахт Так, из тридцати четырех стволов, обследованных ИГД УрО РАН в Уральском регионе за последние 20 лет, на восемнадцати наблюдались деформации и нарушения крепи Еще более распространены нарушения устойчивости очистных камер
В таких условиях при разработке рудных месторождений первостепенное значение приобретает управление напряженно-деформированным состоянием горного массива, позволяющее как повышать устойчивость подземных выработок, так и при необходимости снижать ее, например, для погашения выработанного пространства Рациональность и надежность применяемых методов управления горным давлением во многом определяет безопасность эксплуатации рудников и эффективность подземной геотехнологии в целом Таким образом, управление напряженно-деформированным состоянием массивов скальных горных пород, находящихся под действием изменяющихся во времени нагрузок, обусловленных перераспределением первоначальных напряжений породной толщи в окрестностях горных выработок и зон обрушения, представляет собой актуальную и крупную научно-техническую проблему, ее решение имеет важное хозяйственное значение
Цель работы - создание новых методов управления напряженно-деформированным состоянием скального массива на основе выявленных закономерностей процесса дискретизации деформационного поля для обеспечения устойчивости горных выработок при подземной разработке мощных рудных залежей системами с обрушением
Идея работы заключается в использовании для управления напряженно-деформированным состоянием скального массива не известных ранее закономерностей процесса дискретизации его деформационного поля, проявляющегося в образовании пространственно протяженных зон концентрации деформа-
ций, разделяющих массив на временно стабильные области, сохраняющие свойства сплошной среды
Методы исследований включают анализ и обобщение теоретических и экспериментальных работ отечественных и зарубежных исследователей, многолетние мониторинговые инструментальные наблюдения деформаций горного массива в натурных условиях, их анализ и обработку с использованием методов математической статистики и численное моделирование напряженно-деформированного состояния массива с сопоставлением полученных результатов и натурных данных
Новые научные результаты, полученные лично соискателем:
-
В результате натурных инструментальных наблюдений обнаружено новое для больших объемов явление, представляющее собой дискретизацию деформационного поля массива скальных горных пород, находящегося под техногенным воздействием изменяющихся во времени нагрузок, обусловленных перераспределением первоначальных напряжений в окрестностях горных выработок и зон обрушения Явление заключается в формировании не известных ранее временно (лабильных структур деформируемого скального массива пространственно протяженных зон концентрации деформаций, разделяющих массив на области (объемы), в которых он может рассматриваться как сплошная среда
-
Путем сопоставления результатов натурных наблюдений и математического моделирования выявлено основное условие возникновения в массивах скальных горных пород временно стабильных объемов Установлено, что они формируются в тех областях массива, где в процессе перераспределения первоначальных напряжений направление изменения (временной градиент) углов а разворота главных осей гензора меняется на противоположное
-
По результатам натурных инструментальных наблюдений выявлена зависимость условий дискретизации деформационного поля от масштабов техногенного воздействия Установлено, что для больших объемов перераспределения первоначальных напряжений в окрестностях типичных для условий разработки мощных рудных залежей зон обрушения, поперечные размеры которых превышают 250 - 300 м, критерий смены знака перед временным градиентом приращения углов а является достаточным при любой категории устойчивости массива Для перераспределения напряжений вокруг горных выработок критерий применим для сравнительно низкопрочных массивов (по классификации 3 Бенявского - четвертой и пятой категорий устойчивости)
-
Определен критерий, связывающий параметры процесса дискретизации деформационного поля скального массива с параметрами подземной разработки мощных рудных залежей системами с обрушением Критерий представляет собой отношение ширины целикового участка рудной залежи, отработка которого обусловливает возникновение в прилегающем породном массиве области со сменой знака перед временным градиентом приращения углов а, к расстоянию между наиболее крупными структурными нарушениями, выделяемыми в пределах этой области На критерии основан прогноз размеров и границ вре-
менно стабильных участков со свойствами сплошной среды, ширина которых составит от 1/3 до 1 ширины планируемого к отработке целикового участка
5 Путем сопоставительного анализа результатов натурных замеров и ма
тематического моделирования напряженно-деформированного состояния выяв
лена корреляционная зависимость, связывающая решения упругой задачи с
фактическим напряженно-деформированным состоянием скального массива
Установлено, что в окрестностях зон обрушения с поперечными размерами бо
лее 250 - 300 м поведение массива на базах 20 - 30 и более метров соответству
ет поведению сплошной среды при условии введения в расчетные значения тех
ногенной деформации, полученные решением упругой задачи, корректирую
щих коэффициентов /ГП0ф = 3,0 ± 0,3 - для пространственно протяженных зон
концентрации деформаций, Ктт = 0,5 ± 0,06 - для относительно стабильных
участков массива, находящихся между этими зонами При этом амплитуда из
менчивости техногенных деформаций находится в пределах 1 мм/м независимо
от последовательности и интенсивности выемки рудной залежи
6 На основании выявленных зависимостей обоснована возможность
управления процессами дискретизации деформационного поля в окрестностях
зон обрушения с целью обеспечения устойчивости горных выработок Предло
жено регулировать развитие зоны обрушения путем целенаправленной, с уче
том первоначального напряженного состояния и структурного строения окру
жающего породного массива, последовательности ведения очистных работ с
оставлением и последующей выемкой целиковых участков рудной залежи та
ким образом, чтобы в течение всего времени эксплуатации шахты избегать пе
ресечения горных выработок пространственно протяженными зонами концен
трации деформаций, обеспечивая нахождение капитальных выработок в преде
лах формирующихся стабильных областей
-
В целях расширения возможности управления процессами дискретизации деформационного поля для условий камерной системы разработки обоснована идея искусственного формирования пространственно протяженных зон концентрации деформаций, разделяющих массив на стабильные области, на основе которой предложено буровзрывным способом создавать ориентированные под заданными углами плоскости ослабления, по которым под действием напряжений окружающего массива происходят целенаправленные регулируемые подвижки прилегающих породных объемов. Подтверждена на практике эффективность применения новой технологии управления напряженно-деформированным состоянием приконтурного скального массива очистных камер при формировании плоскостей ослабления в междукамерных целиках
-
Путем сопоставительного анализа результатов натурных наблюдений и математического моделирования напряженно-деформированного состояния массива получены зависимости, определяющие напряжения на контуре кровли очистных камер при новой технологии управления горным давлением В качестве основного управляющего фактора предложено использовать изменения величины и направления реакции противодействия междукамерных целиков, происходящие вследствие подвижек породных объемов по плоскостям искусственных ослаблений Установлено, что коэффициенты концентрации напряже-
ний на контуре кровли очистной камеры, вызываемые реакцией противодействия прилегающего целика, находятся в линейной связи с отношением Zu к вп , где Lm — длина консоли выработанного пространства по падению висячего бока залежи, /,ц — расстояние от торца консоли до целика
9 На основании выявленных закономерностей процесса дискретизации деформационного поля разработана новая модель задания граничных условий для расчета устойчивых параметров выработок при подземной разработке мощных рудных тел системами с обрушением Модель отличается от известных (дискретных) моделей тем, что масштабные уровни напряженного состояния деформируемой среды определяются не структурным строением массива, а его напряжено-деформированным состоянием на двух уровнях в окрестностях зоны обрушения на базах в десятки-сотни метров и в окрестностях рассматриваемой подземной выработки на базах менее 20 - 30 метров Граничные условия, определяющие напряженное состояние в окрестностях подземной выработки, складывается из первоначальных напряжений нетронутого массива и дополнительных, обусловленных влиянием зоны обрушения, которые рассчитываются с учетом дискретизации деформационного поля путем внесения в результаты решения упругой задачи выявленных корректирующих коэффициентов Л"ПОГр, ЛГКонс и поправки на изменчивость техногенных деформаций Основные научные положения работы:
-
Напряженно-деформированное состояние скального массива определяется процессами формирования временно стабильных объемов со свойствами сплошной среды, разделенных участками концентрации деформации, возникающими в тех областях, где направление изменения (временной градиент) углов а разворота главных осей тензора первоначальных напряжений меняется на противоположное, что является следствием оставления и выемки целиковых участков массива
-
Ширина формирующихся временно стабильных породных объемов определяется расстоянием между наиболее крупными структурными нарушениями, находящимися в области смены знака перед градиентом приращений углов а, и составляет от 1/3 до 1 ширины целикового участка
-
Управление напряженно-деформированным состоянием массива в окрестностях зон обрушения осуществляется на основе решений упругой задачи с
Введением В ЄЄ ГраНИЧНЫе УСЛОВИЯ КОрреКТИруЮЩИХ Коэффициентов А"погр = 3,0
± 0,3 - для участков концентрации деформаций, Л"конс = 0,5 ± 0,06 - для породных объемов, находящихся между этими участками Доверительный интервал изменчивости техногенной деформации находится в пределах 1 мм/м независимо от последовательности и интенсивности выемки рудной залежи
4 Управление напряженно-деформированным состоянием массива в кров
ле очистных камер осуществляется путем регулирования векторов подвижек
породных объемов по плоскостям искусственно создаваемых ослаблений При
этом напряженно - деформированное состояние кровли камер находится в ли
нейной связи с параметром Lu І івп , где LB„ — длина консоли выработанного
пространства по падению висячего бока залежи, Z„ - расстояние от торца кон
соли до точки приложения вектора подвижки
Достоверность научных положений и выводов диссертационных исследований обеспечена представительностью исследуемых совокупностей Объемы натурных инструментальных наблюдений, проводившихся в течение 24 лет на крупнейших подземных рудниках Уральского региона, содержат свыше 10000 замеров, результаты которых взаимно сопоставлялись Полученные зависимости характеризуются коэффициентами корреляции, превышающими 0,9 Сходимость расчетных зависимостей с данными натурных инструментальных наблюдений превышает 70 % Достоверность подтверждается успешными промышленными экспериментами и положительным опытом внедрения результатов работы в практику горнодобывающих предприятий
Научное значение диссертационной работы заключается в научном обосновании и реализации нового подхода к управлению горным давлением при подземной разработке рудных месторождений системами с обрушением, основанном на выявленных закономерностях ранее не известного для относительно больших объемов явления дискретизации деформационного поля скального массива в окрестностях зон обрушения и горных выработок. Впервые выявленные закономерности возникновения и развития этого явления, а также корреляционные связи между параметрами формирующихся временно стабильных породных структур и решениями упругой задачи, отражающими параметры подземной геотехнологии, позволили научно обосновать новые технические решения по управлению напряженно-деформированным состоянием скального массива, направленные на повышение устойчивости горных выработок.
Практическое значение и реализация работы. Разработанный метод управления напряженно-деформированным состоянием скального массива в окрестностях зон обрушения, впервые примененный на подземных рудниках для обеспечения устойчивости капитальных вскрывающих выработок, позволяет увеличивать нормативные углы сдвижения и отрабатывать запасы руды, законсервированные в предохранительных целиках, а также повышать эксплуатационную безопасность горных выработок Разработан и внедрен новый метод управления напряженно-деформированным состоянием приконтурного массива очистных камер, повышающий устойчивость камер и обеспечивающий возможность применения высокопроизводительных систем подземной разработки в условиях высокого горного давления и в сложных геотехнологических ситуациях Впервые в целях управляемого ограничения подвижности породных структур в зонах концентрации техногенных деформаций применено глубинное анкерование
Диссертационные исследования и опытно-промышленные испытания проводились на шахтах Донского ГОКа, Богословского и Гороблагодатского рудоуправлений в течение 1979 - 2005 гг. в рамках хоздоговорной и госбюджетной тематики по хоздоговорам с предприятиями, заданиям Минчермета и ГКНТ СССР, Российской академии наук, а в последние годы - при поддержке РФФИ и Совета по грантам Президента РФ (гранты 01-05-65178, 00-05-64083, 99-05-64371 и др ) Внедрение результатов диссертационной работы осуществлено на шахтах "Северная" и "Южная" Гороблагодатского рудоуправления,
шахте "Центральная" (с 2001 г - "10-летия независимости Казахстана") Донского ГОКа, шахте "Северопесчанская" Богословского рудоуправления
На основании результатов работы решением Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору 28 09 2006 г внесены изменения в действующие "Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на месторождениях руд черных металлов Урала и Казахстана", 1990г Результаты работы включены в отраслевые нормативно-технические документы "Инструкцию по креплению капитальных горных выработок на шахтах Урала", 1992 г , "Инструкцию по креплению горизонтальных горных выработок в удароопасных условиях на шахтах Высокогорского ГОКа", 2003 г; "Инструкцию по креплению горизонтальных горных выработок в удароопасных условиях на шахте "Южная" рудника "Гороблагодат-ский", 2005 г," Инструкцию по креплению и поддержанию капитальных, подготовительных, нарезных и разведочных выработок для Турьинского рудника", 2006 г., "Инструкцию по креплению и поддержанию капитальных, подготовительных, нарезных и разведочных выработок на шахте "Северопесчанская" ОАО "Богословское РУ", 2006 г Рекомендации по использованию новых методов управления горным давлением при проектировании и планировании горных работ приняты ОАО "Институт Уралгипроруда" и включены в отраслевую программу перехода шахт ООО "Евраз-Холдинг" на легкие виды крепи
Апробация работы. Основные положения диссертации и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на VIII всесоюзном семинаре "Измерение напряжений в массиве горных пород" (г Новосибирск - 1982), I, П, Ш и IV всесоюзных конференциях молодых ученых "Интенсификация горнорудного производства" (г Свердловск - 1983, 1985, 1986, 1989), V всесоюзном семинаре "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород" (г Новосибирск - 1985), отраслевой конференции "Комплексное и рациональное освоение железорудных месторождений" (г Губкин — 1988), международном симпозиуме "Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций" (г Москва -г Пермь - 1995), международной конференции "Геомеханика в горном деле -96" (г Екатеринбург - 1996), X межотраслевом координационном совещании по проблемам геодинамической безопасности (г Екатеринбург - 1997), международной конференции "Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельников-ские чтения)" (г Екатеринбург - 1998), международных конференциях "Геомеханика в горном деле- 2000", "Геомеханика в горном деле- 2002", "Геомеха-ника в горном деле- 2005" (г Екатеринбург - 2000, 2002, 2005), международной конференции EUROCK-2001 (г Хельсинки - 2001), научных симпозиумах "Неделя горняка - 2005", "Неделя горняка - 2006" (г Москва - 2005, 2006), на постоянно действующем региональном семинаре Уральской школы геомехаников (г Екатеринбург - 2000 - 2006 гг ), а также на научных советах ИГД УрО РАН и технических совещаниях горнодобывающих предприятий Урала и Казахстана
На применение разработанного метода управления напряженно-деформированным состоянием массива для увеличения нормативных углов сдвижения
на шахте "Северопесчанская" получено положительное экспертное заключение ИПКОН РАН (эксперт - проф , д.т н Иофис М А )
Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 печатных работ Основные положения диссертации опубликованы в 24 работах, включая 5 авторских свидетельств на изобретения
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 332 страницах машинописного текста, в том числе 79 рисунков, 22 таблиц, списка литературы из 252 наименований и отдельного тома приложений с метрологическим паспортом, результатами натурных измерений и справками о внедрении научных результатов диссертационной работы
