Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
I.I. Состояние изученности проблемы горных ударовна рудных месторождениях мира
1.2 Способы управления горным давлением при отработке удароопасных рудных месторождений . 19
1.3. Изученность вопросов защитной выемки и критериев построения защищенных зон 29
1.4, Цели и задачи исследований 38
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИРОДНЫХ ФАКТОРОВ НА УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ФОРШ ПРОЯВЛЕНИЯ ГОРНЫХ УДАРОВ 41
2.1. Изучение особенностей структурно-тектонического строения месторождения 41
2.2. Результаты изучения естественного поля напряжений в массиве горных пород . 53
2.3. Основные результаты изучения прочностных и деформационных свойств горных пород и их влияние на удароопасности горных выработок 60
2.4. Исследование влияния структурных особенностей рудного массива на формы проявления горного давления 71
2.5. Выводы 83
3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КРАЕВОЙ ЧАСТИ МАССИВА БЛОЧНОГО СТРОЕНИЯ ЦРИ СИСТЕМАХ С ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ ВЫЕМКОЙ ЗАЩИТНОГО СЛОЯ 85
3.1. Исследование закономерностей распределения напряжений и деформаций в массиве под. воздействием очистной выемки 85
3.1.1. Выбор и обоснование методов и методик шахтных наблвдешй 85
3.1.2. Результаты изучения закономерностей формирования зон опорного давления и их параметров 94
3.2. Исследование напряженно-деформированного состояния наработанной части массива сплошных сульфидных РУД 115
3.2.1. Выбор критерия защищенности и обоснование методики инструментальных наблюдений для определения границ защитного действия в условиях гравитационно-тектонического поля напряжений 115
3.2.2. Влияние опережающей выемки защитного слоя на напряженное состояние при забойной части рудного массива 120
3.3. Выводы 130
4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ЗАЩИТНОЙ ВЫЕМКИ СПЛОШНЫХ СУЛЬФИДНЫХ РУД И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЖОМЕНДАШИ ПО УПРАВЛЕНИЮ СОСТОЯНИЕМ УДАРООПАСНОГО МАССИВА 133
4.1. Влияние технологических схем и способов отработки защитного слоя на параметры защищенных зон 133
4.1.1. Оценка эффективности различных способов разгрузки краевых частей массива сплошных сульфидных руд 133
4.1.2. Влияние технологических схем и способов защитной выемки на состояние защищаемой части массива сплошных сульфидных руд 140
4.2. Практические рекомендации по применению защитной выемки в условиях месторождения 149
4.2.1. Определение границ защитного действия и обоснование методики построения защищенных зон в массиве блочного строения 149
4.2.2. Выбор оптимальных схем расположения и способа отработки защитного слоя .160
4.2.3. Инженерный способ расчета минимальной величины опережения защитной выемки по падению и восстанию рудной залежи 168
4.3. Выводы 174
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 177
ЛИТЕРАТУРА 181
ПРИЛОЖЕНИЕ 195
- Состояние изученности проблемы горных ударовна рудных месторождениях мира
- Изучение особенностей структурно-тектонического строения месторождения
- Исследование закономерностей распределения напряжений и деформаций в массиве под. воздействием очистной выемки
- Влияние технологических схем и способов отработки защитного слоя на параметры защищенных зон
Состояние изученности проблемы горных ударовна рудных месторождениях мира
Разработка рудных месторождений на больших глубинах ведется многими странами. На некоторых месторождениях Индии, ЮАР, Бразилии и других стран горные работы уже сейчас достигли глубин 3500 м, а вся дальнейшая перспектива развития добычи руд связана с еще большим понижением горных работ, следовательно усложнением горно-геологических условий разработки, возрастанием интенсивности динамических проявлений горного давления, наиболее опасными из которых являются горные удары.
В последние десятилетия проявления горного давления в форме горных ударов резко участились в рудных бассейнах Южной Африки, Индии, Канады, Австрии, Чехословакии и других стран.
В СССР проблема горных ударов на рудных месторождениях возникла в шестидесятые годы.
Горный удар представляет собой быстро протекающее разрушение горных пород, проявляющееся в виде их выброса в подземные выработки с нарушением крепи, смещением машин, механизмов и другими воздействиями. Удары сопровождаются резким звуком, образованием пыли, воздушной волной и сотрясением массива горных пород.
Горные удары создают опасность для жизни людей, нарушают нормальное ведение горных работ, требуют принятия специальных мер по обеспечению безопасности и повышают стоимость добычи полезных ископаемых.
Наиболее частые и сильные горные удары в нашей стране имели место на шахтах СУБРа и рудниках Горной Шории. В последнее время горные удары возникали на джезказганском, Урунском, Садонском и других рудных месторождениях.
Одним из таких месторождений является Октябрьское месторождение медно-никелевых руд.
Основная залежь руд этого месторождения, отрабатываемая в настоящее время рудниками "Комсомольский", "Октябрьский", "Таймырский", дислоцирована в придонной части дифференцированной рудоносной Тал-нахской интрузии габбро-долеритов, залегающих на глубине 600-1600 м. Мощность интрузивного комплекса пород, расположенного в ангидрито-мергелеевой толще среднего девона, составляет 160 и более метров и представлена тремя основными типами руд: сплошными - наиболее богатыми, вкрапленными и прожилково-вкрапленными в породах нижней части интрузии, вкрапленными (медистыми) в породах, вмещавдих интрузию. Форма залежи богатых руд относительно простая, осложненная многочисленными разрывными нарушениями с четким нижним и не четким, осложненным опофизами и прожилками, контактом с габбро-долеритами. Мощность залежи сплошных руд колеблется в пределах 15-50 м. Угол падения рудного тела не превышает 20. Месторождение представлено прочными, хрупкими горными породами, способными накапливать энергию сжатия.
Первые динамические проявления горного давления были отмечены при ведении горных работ на глубинах 500-600 м. На глубине свыше 700 м проведение одиночных горных выработок в рудном массиве осуществлялось в условиях массовых динамических проявлений горного давления.
Наибольшая интенсивность динамических разрушений отмечалась на первом этапе развития очистной выемки (северный участок выклинивания рудной залежи). Максимальный объем разрушений в этот период составил 200 м3 (табл. I.I).
Изучение особенностей структурно-тектонического строения месторождения
Основные структурно-тектонические черты Норильского района определяются расположением его на северо-западной окраине Сибирской платформы, представленной здесь западным бортом Тунгусской синеклизы и восточным крылом Приенисейской зоны поднятия и юго-западным бортом Енисей-Хантайской синеклизы. В границах района северо-западная окраина платформы сочленяется со структурами Западно-Сибирской плиты.
Наиболее крупными пликативными структурами района являются Хан-тайско-Рыбнинский и Дудинский валы, а за пределами района Курейско-Летнинское поднятие и Норильско-Хараелахский прогиб (рис. 2.1).
На фоне перечисленных крупных структур района известны более мелкие как положительные (Кайерканская, Фокинская, Руднинская и др.), так и отрицательные (Икано-Самоедская, Южно-Долдыканская и др.) структуры.
В формировании современного структурного плана большая роль принадлежит разрывным нарушениям, среди которых выделяются допермские и доэффрузивные (пермотриассовые), эффрузивные (триассовые) и после-эффрузивные (послетриассовые) с амплитудами свыше десятка метров.
Особое положение среди них занимают зоны глубинных разломов, определяющих направление пликативных структур и сопровождающиеся, как правило, приразломныш и надразломными складками, а также значительным количеством интрузивных тел основного состава с различной степенью дифференциации. Наиболее крупными из них считаются зоны Бо-ганидского, Норильско-Хараеійрі щр Шагдинско-Летнинского, Северо Хараелахского разломов с системами параллельных сбросов, с горстами и грабенами. По простиранию эти разломы прослеживаются до 250 км. Амплитуда смещения крыльев достигает 400 м, а мощность зон дробления колеблется в пределах от І м до 100 м.
В целом Норильский промышленный район представляет собой мозаику глыб разных порядков и величин, ограниченных сбросами или находящихся внутри грабенов, формирование которых связано с общей историей развития Сибирской платформы [9I-93J.
Основными особенностями структурного строения района являются:
- дизъюнктивные дислокации, определяющие протирание пликативных структур, группируются в двух главных направлениях: северо-северо-восточном (субмеридиональном) и запад северо-западном (субширотном);
- преобладают и более значительны по размаху субмеридиональные нарушения. Характерной их формой служат узкие глубокие грабены и ступенчатые сбросы с крутыми углами падения;
- в грабенах опущенные блоки имеют вид клина, разбитого на блоки и клинья высших порядков параллельными и диагональными нарушениями;
- плоскости сместителей, даже при незначительных подвижках, характеризуются наличием зеркал скольжения;
- опущенными чаще являются крылья со стороны антиклинальных структур.
Талнахское и Октябрьское медно-никелевые месторождения приурочены к крупной дифференцированной интрузии габбро-диабазов Норильского типа, образующей в пределах Талнахского рудного узла несколько самостоятельных в пространственном отношении ветвей (рис. 2.2). Все они пространственно и генетически связаны с зоной глубинного Норильсно-Караелахского разлома, секущего Хараелахскую мульду вдоль ее оси и представляющую собой шовную структуру сложного строения.
Исследование закономерностей распределения напряжений и деформаций в массиве под. воздействием очистной выемки
Эффективность исследований проявления горного давления во многом определяется правильностью постановки задач и выбора метода измерений и измерительной аппаратуры, обеспечивающих получение достаточного объема надежной информации с минимальными трудовыми и материальными затратами.
Известно, что горный массив представляет собой сложную механическую среду, состоящую из неоднородных, трещиноватых горных пород с различными физико-механическими свойствами. Проведение в массиве выработок, а также другие виды воздействия приводят к нарушению его естественного состояния в результате деформаций и перемещений горных пород, имеющих различную интенсивность и время протекания. Особенно большое влияние на изменение состояния массива оказывают очистные работы. В краевой части рудного массива происходит наиболее интенсивное деформирование, разрушение и смещение горных пород l, 2, 3, 4j.
Состояние массива горных пород может характеризоваться значительным количеством показателей. К основным из них можно отнести величину, скорость и характер деформаций, величину напряжений, скорость распространения упругих волн, электрические, упругие и другие пара-гатры горных пород. Эти показатели могут измеряться различными по принципу действия и конструкции приборами, проградуированными в единицах измеряемых величин [98, 101, 102, 104, І25-І29І.
Специфика проведения экспериментальных исследований проявления горного давления в натурных условиях заключается в том, что измерительные приборы и оборудование работают в течение длительного времени в агрессивной среде, их установка требует значительных трудовых затрат. В процессе эксплуатации измерительные устройства часто подвергаются механическим повреждениям.
Кроме того, выполнение наблюдений за состоянием массива в натурных условиях в зонах непрерывного ведения горных работ характеризуется трудностью, а в ряде случаев невозможностью выполнения заведомо достаточного объема измерений на данном участке шахтного поля, как в части количества наблюдательных станций, так и продолжительности измерений.
Поэтому выбор места исследований осуществлялся с учетом представительности особенностей данного участка шахтного поля во всем диапазоне горно-геологических условий залегания месторождения. Для выбранного участка измерений строились представительные совмещенные планы горных работ и геологические разрезы с точной привязкой наблюдательных станций к пройденным выработкам и границам выработанного пространства с указанием изменения их размеров, положения во времени и в пространстве от начала и до конца наблюдений. Условия залегания массива горных пород, его тектоническая нарушенноеть, структурные и механические свойства характеризовались количественными показателями.
Размеры области изучаемого массива и степень детальности определения свойств массива на участке наблюдений устанавливались в зависимости от характера решаемых задач.
Выбор методов измерений и измерительной аппаратуры осуществлялся на основании опыта исследовательских работ на месторождении а также анализа современных публикаций по вопросам геомеханики [і, 2, 4, 61, 81, 106, 126, 127].
Влияние технологических схем и способов отработки защитного слоя на параметры защищенных зон
Оценка разгружающего эффекта различных способов отработки защитного слоя осуществлялись по результатам измерений методом полной разгрузки.
Измерение напряжений выполнялось на участках, расположенных в средней по мощности части рудного тела. Измерительные скважины бурились в направлении протирания рудного тела, т.е. параллельно фронту очистной выемки на расстоянии до 40 м от границы выработанного и заложенного пространства. Характер напряженного состояния определяется по средним значениям напряжений, полученных по длине скважины. В каждой скважине выполнялось 6-8 измерений с интервалом 0,5-1 м. Первая измерительная точка, как правило, располагалась на расстоянии 4-5 м от контура выработки.
Результаты измерений, выполненных на западном фланге очистной вы-эмки при слоевой системе разработки без опережающей выемки защитного слоя, показали, что максимум опорных нагрузок расположен на рас-ЇТОЯНИИ 4-6 м от фронта очистных работ, а величина напряжений в нем дестигает 2-3 If И . Полученные результаты дают основание предполагать, что отработка запасов в пределах этой выемочной ленты слоями низу вверх целесообразна с точки зрения как проявления горных ударов, так и статических форм разрушения обнажений горных пород. Оценка разгружающего эффекта опережающей выемки защитного слоя по кровле рудного тела с созданием сплошного бетонного перекрытия выполнялась на многих участках шахтного поля, о чем свидетельствуют результаты измерений, приведенные в предыдущем параграфе.
На рис. 4.1, а и б приведены положение горных работ на момент выполнения измерений на одном из многих участков шахтного поля, схема расположения измерительных скважин и характер распределения измеряемых величин нормальных напряжений, характеризуемых параметрами дискования керна буровых скважин.
Осуществить измерения величины напряжений удалось только по скважине В I, расположенной на расстоянии 6 м от очистного забоя. Бурение скважин Ш 2 и 3 сопровождалось шелушением забоя и стенок скважин. После окончания бурения скважина № 3 приобрела эллиптическую форму, длинная ось эллипса ориентирована параллельно углу падения рудной залежи. Следовательно, максимальные напряжения действуют нормально к линии падения рудного тела. Керновый материал, полученный из скважины № 3, представлял собой пластинки с острыми рваными краями, максимальная толщина которых не превышала 3 мм. Измерение по скважине $ I показало, что главные напряжения ориентированы под углом 60-70 к горизонтали, направлены в сторону выработанного пространства и по величине колеблются в пределах 200 кгс/см2. Полученные результаты указывают на то, что минимальные напряжения действуют у борта очистной выемки. Впереди верхнего опережающего забоя возникает высокая концентрация напряжений, ориентированных нормально к линии падения рудной залежи. Достаточно большая величина напряжений, действующая на участке бурения скважины J& 2, объясняется наличием в защитном слое временно оставленного между ранее пройденными и заложенными выработками ленточного целика шириной от 2,5 до 4 м. По-видимому, целик обладал достаточной для передачи нагрузок в наработанный массив жесткостью.
