Введение к работе
В общем комплексе горных выработок, сооружаемых в процессе строительства горных предприятий и других подземных объектов, особое место занимают капитальные выработки, открывающие доступ к подземным объектам и служащие основными транспортными артериями. Сооружение вертикальных выработок является наиболее ответственным процессом во всем комплексе горных работ, составляющим по затратам до 30% - 40% от стоимости строительства всего горного предприятия.
В настоящее время происходит постоянное усложнение горнотехнических условий разработки месторождений в связи с углублением горных работ и переходом к совместной открыто-подземной и повторной разработке месторождений. Значительное число рудников страны (Кавказ, Урал, Горная Шория, Норильск, Кольский полуостров) и мира (страны Средней Азии, Австралии, Канады, США, Южной Африки, Индии и др.) ведут добычу полезных ископаемых в массивах, подверженных действию высоких субгоризонтальных тектонических напряжений, превышающих (до 5-10 раз) гравитационные напряжения. Проблема управления горным давлением и обеспечения устойчивости горных выработок на больших глубинах сама по себе одна из самых актуальных и сложных задач современной горной науки. В тектонически напряженных массивах сложность этих проблем возрастает, поскольку проявления горного давления приобретают в ряде случаев принципиально иной характер и меняется само понятие больших глубин и опасность динамических проявлений горного давления возникает уже на глубинах 50м - 200м. Поэтому сооружение горных выработок или их комплексов в высоконапряженных удароопасных породах требует тщательного изучения геомеханических условий геологической среды, в которой возводятся указанные объекты. Если возводимые выработки или их комплекс по своей конструкции соответствуют сложившимся природным условиям напряженного состояния и свойств массивов пород, ожидаемому естественнолгу изменению во времени этих показателей, то при строительстве и эксплуатации такого комплекса потребуются минимальные затраты на предотвращение вредных проявлений горного давления.
В связи с этим совершенствование конструктивных параметров и способов сооружения капитальных выработок в высоконапряженных массивах является важной научно-технической проблемой.
Целью работы является разработка методики прогноза и рекомендаций по обеспечению устойчивости комплексов капитальных выработок в скальных высоконапряженных породах.
Основная идея заключается в повышении устойчивости комплексов выработок за счет максимального использования несущей способности пород путем выбора конструкций выработок, наиболее полно соответствующих природным условиям напряженного состояния и свойствам массивов.
Задачи исследований:
-
Исследование закономерностей изменения напряженного состояния массива пород под влиянием основных геолого-структурных и техногенных факторов и создание инженерной методики геомеханической дифференциации массивов по условиям устойчивости выработок.
-
Изучение закономерностей напряженного состояния пород в призабойной зоне выработок при действии в массиве тектонических напряжений.
-
Исследование динамики напряженного состояния и разрушения выработок в процессе их сооружения и эксплуатации.
-
Разработка рекомендаций по повышению устойчивости комплексов капитальных выработок в скальных высоконапряженных массивах пород.
Методы исследования: обобщение и анализ практики сооружения выработок в высоконапряженных породах, аналитические методы механики сплошной среды, моделирование численными методами, преимущественно в объемной постановке, лабораторные исследования физических свойств пород, натурные измерения, с применением широкого комплекса инструментальных методов.
Научная новизна работы заключается
в установлении закономерностей изменения тектонических напряжений с глубиной для всех рудников Хибинских апатитовых месторождений и прогнозе их изменений до нулевой абсолютной отметки;
в развитии принципов геомеханического прогноза условий сооружений и выбора способов обеспечения устойчивости выработок на стадии проектирования;
в установлении закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния массива пород вокруг выработок и форм проявления горного давления при их проходке в различных по условиям напряженности и физическим свойствам массивах скальных пород;
в определении экспериментальными методами в натурных условиях характера распределения напряжений в призабойной зоне выработок при различных формах забоев при действии в массиве горизонтальных напряжений;
в обосновании и разработке системы геомеханического контроля состояния массива пород при проходке выработок в скальных высоконапряженных массивах;
в установлении причин и закономерностей разрушения рудоспусков в процессе эксплуатации;
в определении оптимального расположения разгрузочных щелей относительно забоя и их глубины в зависимости от размеров горной выработки, величины действующих в массиве напряжений и технологии сооружения шели (способ охраны выработок защищен авторским свидетельством);
в разработке рекомендаций по выбору на стадии проектирования рациональных конструкций вертикальных выработок с комплексом вспомогательных, размещении и креплении проходческого оборудования (способ проходки защищен авторским свидетельством), а также обосновании способов управления
проявлениями горного давления при проходке комплексов выработок в высоконапряженных породах.
Научные положения, выносимые на защиту:
методика дифференциации массива по условиям устойчивости выработок и выбора на стадии проектирования мероприятий по их поддержанию с учетом основных инженерно-геологических и геомеханических факторов, отличающаяся тем. что позволяет по измерениям напряжений в одной или нескольких ре-перных точках массива, с использованием установленных закономерностей определять напряженное состояние в любой точке массива и прогнозировать ожидаемые формы проявления горного давления и необходимые мероприятия по повышению устойчивости выработок;
закономерности изменения коэффициентов концентрации главных напряжений в призабойной зоне выработок от вида напряженного состояния массива, позволяющие определить напряжения в любой точке забоя при различных сочетаниях действующих в нетронутом массиве напряжений;
зависимость оптимальной глубины разгрузочной щели от соотношения модулей упругости массива пород (Ем), модуля деформации заполнителя щели
(Ещ ) и диаметра выработки (D) с учетом мощности зоны нарушенных пород
('«У-
а) в кровле (стенках) выработки- 1Щ = [р + 21„д 0.225 - Ещ /Ем\
б) в забое выработки- 1Щ = {D + 21н)(о.18- 0.6 Ещ/Ем) ;
- зависимость величины разрушения рудоспусков в процессе эксплуатации от
степени напряженности их контура и объема перепущенной руды для условий
апатитовых месторождений, имеющая вид: L = Q0.02e ' \ав'(Тсі > м> (где Q-
объем перепущенной руды, млн.т; сгд - тангенциальные напряжения на контуре
рудоспусков; сгс - прочность пород при одноосном сжатии);
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обоснована:
данными практики сооружения горных выработок на рудниках ОАО"Апатит" в условиях действия тектонических напряжений за 20- летний период;
совокупностью натурных наблюдений и исследований при сооружении рудоспусков Центрального рудника ОАО"Апатит" с использованием апробированных методов и средств контроля состояния массива, а также методов и средств, разработанных в процессе выполнения работы;
сходимостью результатов натурных исследований, выполненных ультразвуковым, сейсмоакустическим, реометрическим, а также соответствием полученных натурных результатов с результатами аналитических расчетов и данными моделирования и с аналогичными результатами других исследователей в сходных геомеханических условиях;
- положительными результатами внедрения способов управления горного
давления, разработанными в процессе исследований, при сооружении комплек
сов выработок на рудниках ОАО"Апатит".
Практическая ценность работы состоит в том, что
разработанные методика прогноза устойчивости выработок и рекомендации по обоснованию расположения оборудования и выбору на стадии проектирования конструкции вертикальных и комплексов горизонтальных капитальных выработок позволяют при проходке и эксплуатации их обеспечить безопасность, длительную устойчивость, снизить непроизводительные затраты на восстановительные ремонтные работы;
применение разработанной системы геомеханического контроля состояния массива пород и способов управления горным давлением позволило обеспечить возможность осуществления проходки вертикальных выработок, особенно способом снизу вверх под дном действующего карьера в сложных условиях динамических проявлений горного давления, с соблюдением требований безопасности проходческих работ, и заданной скорости проходки;
результаты работы имеют общее значение и могут быть использованы при сооружении капитальных выработок различного назначения в массивах пород с аналогичными геомеханическими условиями тектонической напряженности и удароопасности пород.
Реализация работы в промышленности
Разработанные методика прогноза и рекомендации по повышению устойчивости выработок внедрены:
в технические проекты сооружения двух сверхглубоких рудоспусков №№ 4 и 5 на Центральном руднике ОАО"Апатит", что позволило без осложнений по фактору горного давления и в два раза быстрее по сравнению с традиционным способом осуществить впервые в мировой горно-рудной практике проходку двух глубоких рудоспусков (>350м) большого сечения (20м2) способом снизу вверх в высоко напряженных удароопасных породах при действии взрывов в карьере. Экономический эффект от внедрения предложенных способов управления горным давлением составил 517,7 тыс. руб. (по ценам 1985г.);
в проект сооружения комплексов околоствольных выработок главного ствола гор.+172м и выработок водоотлива гор.+92м Кировского рудника;
в проект сооружения глубоких рудоспусков №№ 6 и 7 Центрального рудника.
- в проект сооружения капитальной штольни Центрального рудника.
Научные разработки и положения диссертации использованы при составле
нии следующих нормативно-методических документов:
1. Информационно-методические материалы "Проходка сверхглубоких рудоспусков на Центральном руднике производственного объединения «Апатит». Изд. КФ АН СССР, Кировск, 1982.
-
Методические указания по сооружению протяженных вертикальных выработок способом снизу вверх в высоконапряженных породах. Изд. КФ АН СССР, Апатиты, 1983.
-
Методические разработки для специальностей 0201, 0202, 0206, 0209. 0210, 0506, 0634 по курсу «Физика горных пород», раздел «Горное давление» III. Подземные горные работы "Геомеханические аспекты сооружения вертикальных выработок большого сечения способом снизу вверх в тектонически напряженных массивах". М., МГИ, 1984.
-
Инструкция по креплению горных выработок на рудниках производственного объединения "Апатит". Изд. КФ АН СССР, Апатиты-Кировск, 1988.
-
Указания по безопасному ведению горных работ на Хибинских апатито -нефелиновых месторождениях, склонных к горным ударам. Изд. КНЦ РАН. Апатиты, 1992.
Апробация работы:
Основные положения диссертации докладывались на технических советах ОАО "Апатит" в 1980-1995гг.: на Всесоюзном научно-техническом совещании по рассмотрению проблемы проходки сверхглубоких рудоспусков большого сечения с использованием проходческого комплекса "Алимак" на ПО"Апатит" под председательством акад. Н.В.Мельникова (29 декабря 1980 г., ИПКОН. Москва); на научной конференции молодых ученых ИПКОН АН СССР (1980г.); на научно- технических конференциях молодых ученых Мурманской области (1980, 1983. 1984, 1985. 1987, 1990гг.); на II Всесоюзной научной конференции "Проблемы механики подземных сооружений" (Тула, 1982г.); на 8 Всесоюзном семинаре по исследованию горного давления и способов охраны горных выработок (Якутск, 1982г.); на Всесоюзном научном симпозиуме "Тектонические основы и инженерно-геологические аспекты изучения напряженного состояния пород при разведке и эксплуатации месторождений" (Апатиты, 1983г.); на семинаре акад. В.В.Ржевского в МГИ "Давление горных пород" (1984г.); на Всесоюзном семинаре "Применение геофизических методов для изучения скальных оснований" (Солнечногорск, 1985г.), на VII Международной конференции по численным методам в геомеханике (Австралия, 1991г.), на Международном совещании по комплексной разработке рудных месторождений (Мельниковские чтения) (Апатиты, 1995г.)
Публикации. По результатам исследований опубликовано 24 печатных работ, включая две монографии и два авторских свидетельства на изобретение.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 185 страниц машинописного текста, включая 72 рисунка, 6 таблиц, 5 приложений и списка использованной литературы из 165 наименований.
Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность профессорам Г.А.Маркову, В.В.Гущину, доктору технических наук А.А.Козыреву за помощь в постановке проблемы, обсуждении результатов и ценные советы. Автор искренне признателен всем сотрудникам лаборатории геомеханики и института за многолетнее и плодотворное сотрудничество и работникам ОАО"Апатит" за
заинтересованность и поддержку в проведении исследований и реализации рекомендаций.