Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА УСТОЙЧИВОСТИ ЦЕЛИКОВ И ПОТОЛОЧИН ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ ДЖЕЗКАЗГАНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ; ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 9
1.1. Горно-геологическая характеристика месторождения 9
1.2. Особенности технологии подземных горных работ, охрана поверхностных сооружений 20
1.3. Анализ научно-исследовательских работ по изучению устойчивости горных выработок при отработке мощных залежей 29
1.4. Цель, задачи и методы исследования 41
2. ИЗУЧЕНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК МЕТОДОМ ЗЛЕКТРОАНАЛОГИЙ 43
2.1. Физическая сущность метода электроаналогии и методика электромоделирования 44
2.2. Определение нагрузок на целики методом электроаналогии 49
2.3. Изучение, напряженного состояния массива пород вокруг очистных выработок 71
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 80
3. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ЦЕЛИКОВ И ПОТОЛОЧИН НА РУДНИКАХ ДЖЕЗКАЗГАНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ МЕТОДОМ 82
>.1. Методика проведения шахтных наблюдении ультразвуковым методом 83
>.2. Изучение напряженного состояния междукамерных целиков 92
>.3. Определение напряжений в потолочине очистных камер 106
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 114
РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ ОБНАЖЕНИЙ И РАЦИОНАЛЬНОЙ ОТРАБОТКЕ МОЩНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ В УСЛОВИЯХ ДЖЕЗКАЗГАНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ 116
.1. Комплексное изучение напряженного состояния обнажения на основе лабораторных и натурных наблюдений 116
4.2. Определение устойчивых параметров целиков и потолочин при варианте панельно-столбовой системы разработки 133
4.3. Определение рациональных размеров предохранительных целиков вокруг стволов шахт и околоствольных сооружений при панельно-столбовой сие- теме разработки -^
4.4. Реализация результатов исследования и их эффективность 1->
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 160
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 161
ЛИТЕРАТУРА 163
ПРИЛОЖЕНИЯ 176
- Горно-геологическая характеристика месторождения
- Физическая сущность метода электроаналогии и методика электромоделирования
- Методика проведения шахтных наблюдении ультразвуковым методом
- Комплексное изучение напряженного состояния обнажения на основе лабораторных и натурных наблюдений
Введение к работе
Актуальность темы. Проблема непрерывного обеспечения минерально-сырьевых ресурсов в промышленности неразрывно связана с полным и эффективным использованием недр. Особенно важным становится вопрос максимальной выемки полезных ископаемых за счет возможности частичной отработки запасов в предохранительных целиках, оставляемых для защиты стволов шахт, зданий и поверхностных сооружений, построенных на рудоносных площадях. Характерным примером в этом отношении является отработка рудных залежей Джезказганского месторождения. На месторождении законсервированы значительные запасы руд под промышленными объектами, извлечение которых требует количественного уточнения условий, обеспечивающих безопасное ведение очистных и подготовительных работ. Кроме того, большие потери руды допускаются в междукамерных, панельных и барьерных целиках, почве и кровле рудных тел, которые на отдельных участках месторождения достигают 30-40$.
Для повышения эффективности отработки рудных залежей Джезказганского месторождения необходимо решить ряд вопросов, связанных с пространственной изменчивостью геологического строения массива горных пород, многоярусностью оруденения, увеличением глубины разработки и повышением интенсивности ведения очистных работ. Настоятельной необходимостью является разработка мер для снижения потерь руды и обеспечения устойчивости выработанных пространств.
В связи с этим изучение напряженного состояния и устойчивости горных выработок при обоснования рациональных способов отработки месторождения представляется весьма актуальной задачей.
Настоящая работа выполнялась в соответствии с постановлениями ГКНТ от 30 мая 1973 г. № 193 и от 2 апреля 1961 г. № 86, народнохозяйственным планом СССР на I98I-I965 гг., приказом МЦМ
СССР от 4 марта 1982 г. № 101, решением научно-технического совещания (Джезказган, 1979 г.), координационным планом ИПКОН АН СССР (I98I-I983 гг.) и тематическими планами ИГД АН Казахской ССР на 1976-1980 гг. и I98I-I985 гг.
В работе обобщены комплексные теоретические и экспериментальные исследования, выполненные автором в качестве исполнителя и ответственного исполнителя плановых тем в период 1972-1983 гг. в Институте горного дела АН Казахской ССР.
Цель исследований. Разработка методов оценки напряженного состояния целиков и потолочин, выявление условий устойчивости горных выработок Джезказганских рудников с учетом отработки запасов в охранных целиках и определение параметров конструктивных элементов систем разработки с открытым очистным пространством, обеспечивающих сокращение потерь руды и сохранность подземных горных конструкций.
Основная идея работы заключается в использовании методов электромоделирования и натурных акустических исследований напряженного состояния элементов горных выработок для установления закономерностей формирования горного давления и обоснования рациональных способов отработки месторождения.
Методы исследований. Принят комплексный метод исследований, включающий: шахтные наблюдения по устойчивости целиков и потолочин в очистных камерах, лабораторные эксперименты методом электроаналогии по изучению напряженного состояния элементов горных выработок и аналитические решения. Работа выполнена на базе обобщения и анализа литературных источников, сбора и обработки фактического материала с привлечением приемов математической статистики. Обработка и анализ экспериментальных исследований проводились с использованием ЭВМ. - б -
Объектом исследований явились шахты 31-32, 42, 44, 45, 65 и "Покро" Джезказганского месторождения. На защиту выносится: комплексный метод контроля и оценки напряженного состояния массива горных пород в процессе ведения очистных работ на рудниках Джезказганского горно-металлургического комбината, основанный на анализе горно-геологических особенностей отрабатываемого участка, результатов электромоделирования и ультразвукового прозвучивания конструктивных элементов систем разработки; схемы расположения целиков в очистных панелях по принципу "на равные объемы налегающей толщи пород - равное количество целиков", обеспечивающие равномерное распределение давления; методика выбора параметров частичной отработки охранных целиков вокруг стволов и околоствольных сооружений при камерно-столбовой системе разработки с учетом взаимного влияния горных выработок.
Достоверность. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в работе, обоснованы результатами статистичес-кой обработки лабораторных и шахтных исследований количественных закономерностей проявления горного давления, сходимостью результатов теоретических исследований с опытно-промышленными испытаниями и практической реализацией разработок.
Научная новизна: обоснованы возможности комплексной интерпретации результатов электромоделирования и ультразвукового прозвучивания для изучения напряженного состояния конструктивных элементов очистных выработок при камерно-столбовой системе разработки; разработан комплексный метод контроля напряженного состояния массива горных пород и конструктивных элементов системы раз- работки в процессе ведения очистных работ, в основу которого положены результаты анализа горно-геологических особенностей отрабатываемого участка, ультразвукового прозвучивания и электромоделирования; установлены закономерности изменения скорости продольных волн в зависимости от нагруженности целиков и потолочин, на основании которых выделяются области критических напряжений и развития микроразрушений; обоснованы новые схемы размещения целиков в соответствии с принципом "на равные объемы налегающей толщи пород - равное количество целиков".
Практическая ценность. Разработанный метод позволяет устанавливать условия устойчивости горных выработок при отработке мощных рудных залежей. Применительно к Джезказганскому месторождению предложен и обоснован вариант панельно-столбовой системы разработки целиков, который обеспечивает сокращение потерь и повышение устойчивости горных конструкций; определены рациональные размеры предохранительных целиков вокруг стволов шахт и околоствольных сооружений, что дает возможность их частичной расконсервации.
Реализация работы. Практические рекомендации, разработанные по результатам исследования, использованы Джезказганским горно-металлургическим комбинатом при обосновании частичной выемки охранных целиков стволов шахт 42 и "Новая", что позволило извлечь свыше 723 тыс.т консервируемых запасов медной руды, получить народнохозяйственный экономический эффект в сумме 320 тыс.рублей. Вариант панельно-столбовой системы разработки с равномерной нагруженностью целиков принят к опытно-промышленному апробированию и внедрению Джезказганским горно-металлургическим комбинатом им.К.И.Сатпаева.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждены и одо- - 8 -брены на заседаниях Ученого совета ИГД АН КазССР(Алма-Ата,1972-1983),на научной конференции молодых ученых ИГД АН КазССР в честь 50-летия СССР (Алма-Ата,1972), на конференции "Научно-технический прогресс в добывающих отраслях промышленности" (Свердловск,1975), на ІУ конференции молодых ученых СШТГП ИФЗ АН СССР им.О.Ю.Шмидта (Москва,1976), на Республиканской конференции молодых ученых (Алма-Ата, 1976), Республиканской конференции молодых ученых и специалистов по проблеме "Совершенствование технологии добычи полезных ископаемых" (Алма-Ата,1977), в Комитете Госгортехнадзора КазССР (Алма-Ата,I960), на Республиканской научно-практической конференции по теме "Проблемы освоения и комплексного использования минерально-сырьевых ресурсов Джезказган-Жайремского промышленного комплекса" (Джезказган,1981), на Республиканской научно-практической конференции (Актюбинск,1982), на Республиканской научно-технической конференции по проблеме "Повышение безопасности работ и совершенствование проветривания на горнодобывающих предприятиях Казахстана" (Караганда,1982), на Республиканской конференции по теме "Научно-технические проблемы комплексного использования полезных ископаемых" (Джезказган,1982), на научном семинаре лаборатории вскрытия, проведения и крепления горных выработок ИГД АН КазССР (Алма-Ата,1983), на заседании горнотехнической секции Ученого совета ИГД АН КазССР (Алма-Ата,1984), на научном семинаре лаборатории проблем горного давления ИПКОН АН СССР (Москва,1984).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 20 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 137 страницах машинописного текста, содержит 65 рис., 25 табл., список литературы из 123 наименований и 16 приложений. і.состояние вопроса устойчивости цриков и потолочин
ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ ДЖЕЗКАЗГАНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ; ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ її МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Горно-геологическая характеристика месторождения
Джезказганское месторождение приурочено к осадочному песчано-алевролитовому комплексу пород и относится к медистым песчаникам предположительно гидротермального генезиса. Геологическое строение месторождения детально изучено и описано в многочисленных работах виднейших геологов [1,2,3,4,5,6,7] . В настоящее время в Центральном Джезказгане выделено 44 слоя, сгруппированных в девять рудоносных горизонтов. Рудоносная толща представлена пологопадающими слоями красных и серых песчаников, реже красных и зеленовато-серых алевролитов, известняков. Некоторые слои сероцветных песчаников включают две, иногда три залежи, разделенные серыми безрудными песчаниками мощностью 1-5 м или же маломощными невыдержанными проплас-тами красных пород. Первое детальное стратиграфо-литологическое деление толщи было проведено К.И.Сатпаевым [1,6] , которое периодически по данным разведки корректировалось. В работе [7J в зависимости от металлогенических особенностей рудовмещающих слоев расчленение свиты произведено на три подсвиты: нижнюю, среднюю и верхнюю (рис.1.1)-. Общее число залежей рудных ярусов, обособленных в разрезе джезказганской свиты, равно 27„ Залежи каждого стратиграфического рудоносного горизонта имеют свою нумерацию, идущую снизу вверх. Первая цифра (арабская) означает номер рудоносного горизонта, а вторая (римская) - номер залежи. Залежи эти по своим размерам, запасам руды и полезных компонентов далеко не равноценны.
На рис.1.1 площади залежей исчисляются в процентах по отношению к общей площади центрального рудного поля Джезказгана, принятой за 100%. Наиболее крупные по данному параметру залежи сосредоточены в средней, частично в верхней подсвитах. Частные значения этого параметра меняются от 0,1% (залежь 1-І) до 12,3% (залежь 6-І). Суммарная площадь средней подсвиты в условных единицах равна 58,2, что составляет от суммы площадей всех залежей Центрального Джезказгана 43,9%, тогда как сумма площадей залежей верхней и нижней подсвит соответственно будет составлять 38,6 и 17,5%.
Мощность рудных тел колеблется в пределах от 1,5 до 35 м.Размеры залежей колеблются от 400 до 3500 м по длине и от 70 до 1200 м по ширине. Углы падения слоев пород и залежей 7-10, в зоне флексур углы достигают значений от 30 до 85.
По вещественному составу руды подразделяются на следующие основные промышленные типы: медные окисленные (сосредоточены вблизи дневной поверхности), медные сульфидные (наиболее распространенные, имеют 75-80% всех запасов), полиметаллические или комплексные (медь, свинец, цинк) и свинцовые.
Распределение запасов руды по залежам Центрального Джезказгана приводится на рис.І.І в процентах от запасов центрального рудного поля в целом, принятых за 100%. Поскольку величина запасов руды является функцией площади и мощности рудных тел, то на графике изменения этого параметра в разрезе джезказганской свиты еще более этчетливо выступает то различие в рудоносности, которое наложило звой отпечаток и на графики изменения площади и мощности. Запасы руды в верхней подсвите составляют 38,8%, средней - 39,8%, нижней-21,4%.
Физическая сущность метода электроаналогии и методика электромоделирования
Методы электроаналогии основаны на том, что электрическое поле и поле упругих напряжений можно представить в случае упругого полупространства посредством одной гармонической функции - потенциала простого слоя [56-671 . электроаналогии нашли широкое применение при изучении отдельных вопросов строительной механики, гидравлики, теплопередачи, теории упругости и т.д. Обзор электрических аналогий, выполненный в работе 68] , показывает, что существует несколько методов аналогии,каждый из которых имеет характерные для него преимущества и недостатки. Наиболее приемлемым для изучения напряженного состояния элементов горных конструкций является метод сплошных сред, так как в этом случае обеспечивается простота моделирующих уст ройств. Исследования, проведенные в работе С69],доказывают возможность применения моделирования в электролитических ваннах для решения задач механики горных пород. И.Вильсоном [70J метод электроаналогии использован для определения напряжений, смещений и скорости высвобождения энергии при разработке плоских жил, залегающих в прочных породах на золотых рудниках. Для решения трехмерных задач механики горных пород Ф.Клаусом [71] привлечено объемное моделирование. Авторами работ [72,73] изучено распределение концентрации напряжений в узлах сопряжения ствола с горизонтальными выработками. В работе [74] разработан способ для определения нагрузок на ленточные целики.
В большинстве случаев методом электроаналогии исследования проводят путем определения напряженности электрического поля [75].
В работе [761 изложен электроаналоговый метод, позволяющий определять нагруженность упругих целиков любой формы в плане,поддерживающих выработанное пространство произвольной конфигурации. На базе имеющегося полного решения задачи теории упругости о кусочно-однородной среде с полостями, поддерживаемыми конечным числом ленточных и столбчатых опор, построен оригинал - математическая модель рассматриваемой упругой системы в терминах потенциала. В результате исследование сведено к решению задачи с граничными условиями, удовлетворяющими системе интегральных уравнений. Предложена соответствующая оригиналу квазианалоговая модель.
Методика проведения шахтных наблюдении ультразвуковым методом
Обоснование широких возможностей сейсмоакустических методов при решении ряда задач горной промышленности выполнено в работах В.В.Ржевского, Ю.В.Ризниченко, И.А.Турчанинова, М.Г.Анциферова, М.П.Воларовича, Б.С.Ватолина, В.Т.Глушко, В.П.Манькова, В.И.Мячки-на, Н.Р.Надирашвили, В.Н.Никитина, Г.И.Петкевича, А.И.Савича, О.П. Якобашвили, В.С.Ямщикова и др. В механике горных пород наибольшее распространение получил импульсный ультразвуковой (частоты более 10-20 кГц) метод изучения состояния массива горных пород, основанный на измерении скорости распространения и поглощения упругих волн, проходящих через исследуемую среду С89-96] . В условиях Джезказганского месторождения метод получил развитие благодаря исследованиям О.А.Байконурова, В.П.Бородина, Т.М.Ёрмекова, В.А.Мельникова, В.И.Рогожникова и др. [99,15,100,IOlJ . В основу ультразвукового метода изучения напряженного состояния горных пород положено соотношение вида напряжения, МПа Эта аависимость дает возможность интерпретировать результаты натур ных ультразвуковых измерений при определении напряжений в массиве. Метод обладает рядом принципиальных достоинств, к важнейшим из которых можно отнести возможность изучения массива горных пород без нарушения их структуры и характера протекания в них естественных процессов.
Проведение ультразвуковых наблюдений в процессе выполнения настоящих исследований осуществлялось на основе методики, разработанной для условий горной промышленности при определении физико-механических свойств пород с учетом достижений, имеющихся в инженерной геологии [102 J и строительной практике fI03j .
Для натурных наблюдений было выбрано три экспериментальных участка, характеризующихся различными горно-геологическими условиями, включающими наиболее типичные разновидности пород месторождения. Первый участок (шахта 31-32, горизонт 220 м, панели 4 и 5) выбран в пределах предохранительного целика поселка "І удник". Второй участок (шахта 45, горизонт 220 м, панель 9а) находится в непосредственной близости от опасных по обрушению площадей. Третий экспериментальный участок (шахта 65, горизонт 140 м, панель 57низ) использован для изучения напряженного состояния целиков на более .ультразвуковых, глубоких горизонтах. В процессе разработки методики исследований основное внимание обращалось на выбор системы наблюденийусловий возбуждения и приема упругих волн. Исследования выполнялись с использованием импульсного ультразвукового прибора УКБ-ІМ (приложение 12), Прибор позволяет измерять время распространения ультразвуковых колебаний (УЗК) в пределах от 0 до 5500 мкс. Он обеспе - 85 -чей кварцевым калибратором, вырабатывающим электронную шкалу времени с метками, следующими с периодом 10,50 и 250 мкс. В качестве источника и приемника УЗК применялись "искательные головки" (пъе-зопреобразователи) с кристаллами сегнетовой соли размером 20x20x20 ( fp9A и 60 кГц). Головки с помощью удлинительных штанг помещались в специально пробуренные в целиках шпуры. Создание акустического контакта в местах установки искательных головок обеспечивалось резиновой оболочкой. Шпуры бурились в средней части целика в горизонтальной плоскости диаметром 46 мм и глубиной до 3,5-4,0 м (половина диаметра целика). В каждом целике бурилось по три шпура таким образом, чтобы изучаемый участок прозвучивался в вертикальной и горизонтальной плоскостях (рис.3.1).
Комплексное изучение напряженного состояния обнажения на основе лабораторных и натурных наблюдений
Известно, что в результате комплексного применения различных методов исследований повышается достоверность и надежность результатов. Согласно теории сложения вероятностей событий [ИЗ] , совместное использование двух методов увеличивает достоверность результативных выводов до величины где // Pz - гарантийные вероятности определения правильности выводов при использовании одного и другого методов.
Комплекс методов электромоделирования и шахтных акустических наблюдений позволяет получать дополняющие друг друга сведения о напряженном состоянии массива. Трудоемкость и затраты при электро - 117 моделировании в несколько раз ниже, чем при использовании других методов. Относительно низкая стоимость, высокая производительность и простота метода дают основание использовать его на первом этапе исследований с целью получения общей картины напряженного состояния и выделения участков, требующих более детального анализа с применением натурных акустических наблюдений.
Натурные ультразвуковые исследования обеспечивают учет влияния горно-геологических факторов на напряженное состояние пород, позволяют получить значения упругих характеристик горных пород в естественных условиях залегания и дают возможность осуществить контроль за изменением напряжений в массиве в процессе ведения очистных работ.
Обобщенная схема изучения напряженного состояния элементов очистных выработок включает в себя следующие основные этапы: моделирование методом электроаналогии, натурные наблюдения ультразвуковым методом и комплексный анализ полученных результатов (рис. 4.1). Большая часть задач, возникающих в процессе ведения очистных работ, решается на плоских моделях. При отработке залежей о оставлением столбчатых целиков целесообразно использование объемных моделей. Переход от составляющих векюра напряженности электрического поля к характеристикам напряженного состояния, отрабатываемой панели осуществляется по рассмотренной в п.2.1 методике, что позволяет выполнять качественный и количественный анализ наг-руженности элементов очистных выработок.
Результаты электромоделирования являются основой для проведения натурных ультразвуковых исследований. Методика акустических наблюдений выбирается исходя из особенностей изменения упругих свойств массива горных пород (п.3,1). Характер распределения упругих параметров и, в частности, скорости продольных волн отражают.
Обобщенная схема изучения напряженного состояния элементов очистных выработок и обоснования рациональной отработки мощных залежей качественную картину изменения напряжений. Для количественной оценки напряженного состояния очистных выработок используются та-рировочные наблюдения на образцах в лабораторных условиях. На основании сравнения результатов определения скоростей в натурных условиях и лабораторных определений устанавливаются прочностные свойства массива пород.
Для проведения комплексной интерпретации результатов, полученных ультразвуковым методом и электромоделированием предлагается использование зависимости, устанавливающей связь между величиной нагрузок на целики и скоростью распространения продольных волн.
Похожие диссертации на Разработка комплексного метода оценки напряженного состояния и устойчивости обнажений при отработке мощных рудных залежей
