Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
БАДТИЕВ Батрадз Петрович
РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ ОСНОВ КРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ РАЗРАБОТКЕ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ БЛОЧНОГО СТРОЕНИЯ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ Специальности:
25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика;
25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и строительная).
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Новосибирск - 2009
Работа выполнена в ОАО Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела - Межотраслевой научный центр ВНИМИ, Учреждении Российской академии наук Институте горного дела СО РАН и Заполярном филиале ОАО ГМК Норильский никель Научные консультанты: доктор технических наук, профессор РОЗЕНБАУМ Марк Абрамович доктор технических наук ТАПСИЕВ Александр Петрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор КУЛАКОВ Геннадий Иванович профессор, академик АГН заслуженный деятель доктор технических наук и РФ БОЛИКОВ Владимир Егорович доктор технических наук, профессор Петр Серафимович ЦИНКЕР Леонид Маркович профессор лауреат Госпремии СССР Катков Геннадий Алексеевич Ведущая организация - Учреждение Российской Академии наук Институт проблем комплексного освоения недр РАНЗАО УК Гук
Защита диссертации состоится 1 октября 2009 г. в 14 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 003.019.01 при Институте горного дела СО РАН (630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГД СО РАН.
Автореферат разослан ____________ 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук Попов Н.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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 удароопасных рудных залежей Талнахско-Октябрьского месторождения с твердеющей закладкой выработанного пространства.
2. 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.
3. 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 нормативнометодические документы.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. В условиях Талнахско-Октябрьского месторождения на глубинах порядка 200Ц1500 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.
2. 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.
3. Параметры крепи горных выработок в условиях проявления зональной дезинтеграции определяются с учетом переформирования блочного массива на расстоянии до 10Ц12 м от контура выработки в разнопрочную, слоистую геосреду с мощностью слоев от 0,6Ц0,8 до 1,2Ц1,7 м, обла дающую присущим ей характером развития деформаций и форм разрушения.
4. 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.
5. Надежное обеспечение устойчивости выработок достигается при удовлетворении конструируемых крепей дополнительным требованиям, сформулированным и реализованным в настоящей работе.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. 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 3Ц5 раз превышающих по величине прочность окружающего массива и несущую способность крепи.
2. Обоснована и построена номограмма, позволяющая производить прогноз смещений контура выработки при прочности пород на сжатие от до 80 МПа в диапазоне глубин 200Ц1500 м для выработок, проводимых в массиве до начала очистных работ, в зоне опорного давления, в надработанном и подработанном массиве.
3. 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.
4. 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 50Ц300 мм, наблюдается в течение 6Ц10 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.
5. 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.
1. 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 решеткамиподхватами.
2. 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.
3. 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 проектноконструкторских 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 ичный 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 (СанктПетербург, 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 научнопрактической 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 (СанктПетербург, 2006, 2007 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 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.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ В первой главе диссертационной работы рассмотрены горногеологические и горнотехнические особенности залегания и разработки пластообразных рудных залежей, приведен анализ современных представлений о деформировании и разрушении массива горных пород вокруг подземных выработок на больших глубинах, рассмотрен опыт крепления выработок в этих условиях.
Для решения практических задач, связанных с ведением горных работ, основным является вопрос о концентрациях напряжений, деформациях и разрушениях пород в зоне возмущения, вызванной проведением выработки.
В механике горных пород в течение довольно длительного времени существует несколько широко известных гипотез о форме и размерах зон влияния выработки на породный массив. К числу наиболее известных из них относятся: гипотеза свода, гипотеза сыпучей среды, гипотеза, основанная на принципах строительной механики и сопротивления материалов.
В результате обобщения экспериментальных данных сложилось широко используемое в настоящее время представление о характере процессов, происходящих в массиве пород при проведении выработок. Суть этих представлений кратко заключается в выделении вокруг выработок нескольких расположенных друг за другом зон, в пределах которых породы находятся в различном напряженно-деформированном состоянии, определяемом естественным полем напряжений породного массива и его деформационно прочностными характеристиками. При этом, зона нарушенных пород располагается непосредственно на контуре выработки, а область неупругих деформаций охватывает небольшую, в переделах ее радиуса, область, примыкающую к выработке. Далее идет область пород, которые в результате перераспределения напряжений, вызванных проведением выработки, находятся в состоянии практически упругого деформирования. Таким образом, согласно этим представлениям, прочность массива пород частично уменьшается только на контуре выработки, т.е. в зоне разрушенных пород.
В работах А.М. Козела, В.А. Борисовца, А.А. Репко, Т.Я. Таранова и других авторов, опубликованных в 1972Ц1973 гг, отмечено появление вокруг выработок областей повышенных и пониженных напряжений (сжимающих и растягивающих), а также зафиксировано возникновение в массиве вокруг выработки трещин, которое объяснялось влиянием волн напряжений, возникающих в массиве при проведении в нем выработок с помощью буровзрывных работ.
Экспериментальные исследования, выполненнные в последние десятилетия Г.Л. Фисенко, К.Е. Руппенейтом, Е.И. Шемякиным, М.В. Курленей, В.Н. Опариным, В.Н. Ревой, М.А. Розенбаумом, Ю.С. Кузнецовым, А.П. Тапсиевым, В.В. Макаровым, В.Я. Кириченко, А.Ф. Морозовым и др., показывают, что на глубоких горизонтах в предельное состояние переходят большие области в окрестности выработок, и что глубина разработки начинает непосредственно влиять как на размер этих областей, так и на состояние пород в них. В результате этого при проведении выработок на глубоких горизонтах в условиях большой напряженности породного массива, находящегося в предельном состоянии, происходит образование вокруг выработки кольцеобразных чередующихся зон ненарушенных и сильно нарушенных пород (эффект зональной дезинтеграции горных пород).
Основной частью зональной структуры дезинтеграции пород, ее скелетом, наблюдаемым в натурном эксперименте является система трещин, геометрически подобных контуру выработки.
Рассмотренные в работах Э.А. Троппа (1985), А.Д. Алексеева (1974), В.С. Никифоровского (1979), А.И. Берона (1969), А.Н. Ставрогина (1968), Е.И. Шемякина (1992), В.Н. Одинцева (1993) и др. вопросы определенно указывают на аналогию между трещинами, образующимися в массиве, и трещинами, наблюдаемыми при разрушении сплошных образцов горных пород вертикальной нагрузкой при наличии бокового давления. В результате многочисленных опытов было установлено, что характер деформирования образцов в значительной степени зависит от условий, при которых этот процесс происходит, и что любой тип разрушения можно получить на одном и том же материале, создавая соответствующие условия.
Опыт крепления и поддержания горных выработок на больших глубинах подтвердил высказанное предположение о том, что формы разрушения контура и деформации крепи в значительной степени определяются геомеханическими условиями их проведения и эксплуатации.
Применяемые типы и технологии крепления, не позволяют достаточно эффективно обеспечить устойчивость выработок во всем многообразии геомеханических условий, сложившихся на рудниках Норильска, в частности, в условиях высоких концентраций напряжений при отработке разделительных массивов и предохранительных целиков, превышающих предел прочности пород; в условиях проявления совершенно нового механизма разрушения пород вокруг выработок (зональной дезинтеграции пород); при локальных пригрузках и разгрузках краевых частей массива под влиянием подвижек крупномасштабных блоков, оконтуренных разломами и тектоническими трещинами; в условиях раздробленных пород.
Исходя из проведенного анализа состояния проблемы, сформулированы цель и конкретные задачи исследований.
Вторая глава диссертации посвящена исследованиям закономерностей формирования контура выработок, пройденных в сильно напряженном блочном массиве. Выполнена типизация выработок по условиям их эксплуатации.
Условия проведения и поддержания горных выработок на глубоких рудниках Норильска отличаются большим разнообразием. Полого залегающие мощные и весьма мощные рудные тела имеют интенсивную раздробленность как вмещающих пород, так и самих рудных тел трещинами и тектоническими нарушениями. Напряженное состояние массива характеризуется повышенными горизонтальными напряжениями, превышающими вертикальные в 1,4Ц1,6 раза.
При переходе горных работ на глубокие горизонты (800 и более метров) в приконтурном массиве формируются зоны критических напряжений.
Величины напряжений превышают предел прочности пород в массиве, а поле напряжений характеризуется относительно сечения выработки неоднородностью и асимметричностью. В результате действия высоких напряжений снижается устойчивость пород в приконтурном массиве и возрастают нагрузки на элементы крепления выработок. В процессе разрушения пород на контуре выработок происходит разрушение набрызг-бетона, лобыгрывание анкеров на глубину до 1 м и более, разрывы сетки (решетки).
Арочная податливая крепь (АПК), вследствие повышенного бокового давления, во многих случаях не работает в податливом режиме из-за заклинивания элементов крепи в замках.
В случаях неоднородного асимметричного поля напряжений формирующиеся внешние нагрузки в поддерживаемом массиве могут распределяться по неравномерной эпюре. Это предопределяет неравномерность нагружения анкеров. Отдельные анкеры могут воспринимать нагрузку, близкую к их предельной несущей способности, в то время как другие остаются недогруженными. В этих случаях в первую очередь происходит разрушение пород между перегруженными анкерами, их лобыгрывание с обнажением арматуры и резкое снижение устойчивости поддерживаемого этими анкерами массива. Массив разрушается с образованием заколов или вывалов.
Такие явления могут происходить в кровле и (или) бортах выработок.
С учетом изложенного выше классификация условий по выбору типов крепи горных выработок и их сопряжений включает в себя следующее:
1) класс выработки по ее назначению и роли в функционировании рудника;
2) геомеханические условия проведения и поддержания выработки;
3) срок службы выработки.
Геомеханические условия проведения и поддержания выработок определяются интенсивностью проявлений горного давления в зоне влияния очистных работ и расположением выработок относительно выработанного пространства. Здесь следует выделить:
1) группу А - выработки, проводимые в массиве вне зоны влияния очистных работ без наличия тектонических нарушений;
2) группу В - выработки, проводимые в массиве по рудному телу до начала влияния очистных работ, затем подвергающиеся их влиянию и погашаемые за очистным забоем; выработки, проводимые по рудному телу вблизи зон тектонических нарушений и пересекающие их;
3) группу С - выработки, проводимые в массиве до начала влияния очистных работ, подвергающиеся их влиянию и сохраняемые после выемки рудной залежи в подработанном или надработанном массиве.
В качестве критерия интенсивности проявлений горного давления в выработках следует принимать смещения их породного контура за весь срок службы.
Для исследования проявлений горного давления в выработках использовалась комплексная методология, включающая натурные эксперименты и моделирование на эквивалентных материалах. При выполнении моделирования воспроизводились условия Талнахского и Октябрьского месторождений Норильского ГМК. На объемных моделях имитировался массив горных пород трех структурных строений: однородный, слоистый и слоистый, дополнительно ослабленный двумя системами трещин, перпендикулярных и параллельных напластованию. Масштаб моделей был принят 1:100. Прочность на сжатие вмещающего выработку массива в пересчете на условия натуры принималась в пределах от 20 до 80 МПа. Глубина имитировалась от 200 до 1000 м.
Результаты исследований на моделях сведены в номограмму (рис. 1), на основании которой производится прогноз возможных смещений контура выработки.
Из анализа процесса трещинообразования, наблюдаемого при испытании моделей, следует, что область массива, охваченная трещинами, различна. Для оценки степени устойчивости выработки может быть принято отношение Sтр./Sвыр., где: Sвыр. - площадь поперечного сечения выработки до ее разрушения; Sтр. - поверхность модели, затронутая трещинами. Чем больше численное значение параметра Sтр./Sвыр., тем в более тяжелых условиях находится выработка.
Правильное представление о механизме деформирования подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ невозможно без изуче ния напряженно-деформированного состояния массива горных пород вокруг выработок в период их проходки. Исследования проявлений горного давления в период проходки включали визуальные наблюдения, измерение деформаций и смещений в приконтурном массиве и на контуре выработки вслед за подвиганием проходческого забоя.
D - диаметр выработки, м; D - суммарное смещение контура выработки со стороны кровли и почвы, м; Н - глубина расположения выработки, м; Rсж. - прочность пород, МПа; Кстр. - коэффициент структурного ослабления; Е1/Емг - степень пластичности (Емг - мгновенный модуль деформации материала модели или горного массива; Е1 - значение модуля деформации при достижении постоянной скорости деформирования Рис. 1. Номограмма для определения смещений контура выработки На рис. 2 в качестве примера приведены результаты деформирования контура в призабойной зоне находящейся в проходке выработки (р-к Октябрьский, 3В3Ш, гор. Ц700 м, породы средней устойчивости).
Результаты измерений позволили выделить характерные участки в проводимой выработке: участок интенсивного деформирования и участок стабилизации смещений и деформаций пород.
В большинстве случаев развитие смещений в выработках носило неравномерный характер. Основная доля смещений приходилась на призабойный участок длиной 10Ц30 м и составляла 60Ц80 % от суммарной величины смещений в период проходки.
Обобщением данных измерений по станциям контурных реперов установлено, что связь между смещениями на контуре и расстоянием до забоя в общем случае можно выразить экспоненциальной зависимостью вида:
B S Un = A e, (1) где Un - среднее смещение контура выработки; S - расстояние до груди забоя; А и В - эмпирические коэффициенты, полученные экспериментально.
а, б, в - деформации, соответственно, в западном, восточном боку и кровле;
г - смещения на контуре (а - зап. бок, б - вост. бок, в - кровля); 1, 2, 3 - деформации в интервалах 0,0Ц1,0 м, 1,0Ц1,5 м, 1,5Ц2,0 м Рис. 2. Характер деформирования выработки в призабойной зоне (р-к Октябрьский, 3В3Ш, гор Ц700 м, породы средней устойчивости) Опыт проведения выработок на глубинах 800Ц1000 м и более показал, что часто невозможно придать выработке желаемую форму и выдержать проектные параметры сечения.
В результате шелушения, интенсивного заколообразования и выпадения кусков породы из кровли и стенок выработки приобретают эллипсовидную или полигональную форму. Фактическая форма поперечного сечения выработки, формирующаяся в результате обрушения пород с контура и оборки заколов, существенно зависит от ориентировки выработки относительно основных систем трещин и напряженности структурных блоков.
По характеру развития техногенной трещиноватости породы Талнахского рудного узла можно условно разделить на три группы. В породах первой группы: аргиллиты, алевролиты, мергели, известняки, ангидриты, доломиты, песчаники, частично сплошные сульфидные руды, имеющие крепость по М.М. Протодьяконову < 9, образуется, как правило, ступенчатый - односкатный свод. Объем возникающих вывалов в зависимости от направления проходки по отношению к элементам залегания трещин изменяется в широком диапазоне. При этом фактическое сечение выработки на 4 - 30% превышает проектное значение. При образовании контура шатровой формы объем вывалов увеличивается, величина превышения фактического сечения выработки относительно проектного достигает 45Ц50 %.
Во вторую группу входят роговики, скарнированные породы, крупнозернистые разности габбро-долеритов, имеющие крепость по М.М. Протодьяконову = 10Ц12. Величина превышения сечения выработки в таких породах составляет в большинстве случаев 10Ц30 % от проектного.
Третья группа пород представлена исключительно магматическими разностями с коэффициентом крепости по М.М. Протодьяконову > 12.
Контур выработок в этих породах имеет округлую, выглаженную форму.
Обычно превышение проектного сечения выработки составляет 10Ц20 %.
При проявлении зональной дезинтеграции выработка по всему контуру оказывается окруженной породным слоем, фактически отделенным от основного массива слоем сильно раздробленной породы. Высота вывалов породы в этом случае достигает 2,0Ц2,5 м, а превышение проектного сечения выработки - 50Ц70 %.
На рис. 3 представлены характерные формы поперечного сечения выработки, а также полученная зависимость превышения фактического сечения контура относительно проектного от угла между направлением главных горизонтальных напряжений и продольной осью выработки.
Как видно, с увеличением угла от нуля до 90 объем породы, отбитой сверх проектного сечения, увеличивается до 40Ц44 %.
Третья глава диссертации посвящена исследованиям закономерностей разрушения горных пород вокруг подготовительных выработок в зонах тектонических нарушений.
Генезис формирования сложной геологической обстановки Талнахского и Октябрьского месторождений обусловил существенную пространственную неоднородность минералогического состава, текстурноструктурных и физико-механических свойств руд и пород. Изменчивость этих свойств определила неравномерную устойчивость горных выработок в зависимости от расстояния до дизъюнктивных нарушений.
А Б В Г I А - шатровая; Б - эллипсовидная; В, Г - односкатная II 0 1530456075Угол между направлением главных горизонтальных напряжений и продольной осью выработки, град Рис. 3. Характерные формы поперечного сечения выработки (I) и зависимость превышения фактического сечения выработки относительно проектного (лперебор породы) от угла между направлением главных горизонтальных напряжений и продольной осью выработки (II) Порядок нарушения, угол его падения и морфология шва оказывают существенное влияние на устойчивость выработок, пройденных по нарушению и вблизи него в зоне и вне зоны влияния очистных работ.
Главным структурным элементом Норильского рудного узла является Норильско-Хараелахский разлом, оперяющие его сбросы и грабеновидные провальные структуры. Тектонические нарушения более низких порядков представлены серией мелких сбросо-сдвигов с амплитудой смещения Перебор породы, % крыльев до 10Ц15 м, ориентированных в субмеридиональном направлении.
В большинстве случаев тектонические нарушения характеризуются криволинейной поверхностью сместителя с общей тенденцией к выполаживанию и падением на запад под углом 45Ц75. Реже встречаются сбросо-сдвиги с падением на восток под углом 30Ц50.
В связи с выше изложенным, выполнена классификация условий поддержания подготовительных выработок, пройденных вблизи тектонических нарушений. В табл. 1 представлено все многообразие горно-геологических условий, в которых может быть пройдена горная выработка вблизи тектонических нарушений.
Исследования показали, что обеспечение безопасных условий поддержания горных выработок в значительной степени определяется горнотехнической ситуацией, которая зависит от расположения и ориентировки выработок относительно плоскости сместителя и развивающегося фронта очистных работ. Выработки, пройденные вдоль тектонического нарушения или пересекающие его, могут иметь многообразные схемы взаимного расположения и поддержания.
На рудниках Октябрьский и Таймырский наблюдения за состоянием горных выработок, пройденных в районах нарушений, проводились, как правило, с момента их проходки. Были проанализированы акты расследования аварий, обрушения и отслоения кусков горной массы в выработках и проходческих забоях, а также результаты маркшейдерских замеров переборов пород (разницу объемов отбитой породы по факту и проекту) при проведении выработок.
Анализ обрушений пород в выработках позволил установить зависимости объемов вывала от угла падения нарушения и от угла встречи выработки с основной системой трещин. Результаты анализа показали, что объем вывалов растет при уменьшении угла падения нарушения и уменьшении угла встречи выработки с определяющей нарушение трещиноватостью.
Формы сечения выработок, образовавшихся после обрушения, в районах нарушений свидетельствуют, что происходит оно по естественным плоскостям ослабления. Формирование свода обрушения начинается с выпадения отдельных блоков между штангами, их лобыгрывания. Окончательные контуры свода обрушения определяются наиболее ослабленной поверхностью.
Типичная форма вывалов пород на участках тектонических нарушений приведена на рис. 4.
Анализ обрушений пород в выработках в районах нарушений показывает, что их причиной является несоответствие облегченных параметров крепи условиям и формам деформирования и разрушения пород. На основе результатов фактических замеров получена зависимость вероятности вывалообразования (отношения количества вывалов на данном интервале к общему количеству вывалов) от расстояния до тектонического нарушения для выработок различной ширины. Также установлена взаимосвязь высоты вывалов от ширины выработок.
Таблица 1. Классификация геологических и структурно-механических условий поддержания выработок вблизи тектонических нарушений Ширина зоны Коэффициент влияния тектоструктурного оснического налабления Морфология шва рушения, м Вися- ЛежаВися- Лежачий бок чий чий бок чий бок бок III 2Ц10 25Ц100 Сглаженная плос- > > I кость, зона дробле- 0,30 0,IV до 2 до 25 до 5 75Ц90 до 0,5 ния сцементирован- слабо средне- 60 30 до 0,5 ная нару- слабо шен нарушен II 10Ц20 100Ц3000 60Ц90 Серия параллельных = = II сближенных плос- 0,15 - 0,10 - III 2Ц10 25Ц100 5Ц50 60Ц90 0,5Ц3 костей, сглаженная 40Ц60 10Ц30 5Ц10 5Ц0,30 0, плоскость, зона средне сильно- дробления сцемен- нару- слабо тированная шен нарушен I > 20 3000 - 30Ц60 Зона дробления не- 0,15 0,III 5000 сцементированная, сильно- весьма II 10Ц20 100-3000 50 30Ц60 3 серия параллельных до 40 до 10 25Ц30 5Цнару- сильно сближенных плос- шен нару2Ц10 25Ц100 30Ц60 костей, сглаженная шен плоскость Группа условий поддержания выработок Порядок нарушения Амплитуда смещения, м Протяженность нарушения в плане, м Протяженность по падению, м Угол падения, град.
Мощность зоны дробленных пород, м Предельная прочность образцов на одноосное сжатие, МПа Длительная прочность массива на одноосное сжатие, МПа а б в а - при налиии тектонического нарушения и трещин в слоях;
б - при налиии тектонического нарушения и плоскостей напластования, в - по разлому Рис. 4. Типичные формы сводов обрушения на участках выработок, пересекающих тектонические нарушения Обобщением данных по изменению смещений пород в выработках, расположенных вблизи нарушений в зоне опорного давления, получен коэффициент К увеличения смещений пород в выработках относительно нетронутого массива, используемый при выборе крепи, в зависимости от расстояния l до тектонического нарушения и расстояния В до фронта очистных работ (рис. 5).
Четвертая глава диссертации посвящена исследованиям проявлений горного давления в выработках, подверженных влиянию очистных работ.
Особенности проявлений горного давления в подрабатываемых выработках рудников Маяк, Комсомольский, Октябрьский изучались практически с самого начала разработки рудных тел. Ниже приведены обобщенные результаты исследований по рудникам.
Рис. 5. Изменение коэффициента увеличения смещений пород на контуре сечения выработок (К), попадающих в зону опорного давления, в зависимости от расстояния (l) до тектонического нарушения при различных расстояниях (В) до фронта очистных работ По руднику Маяк состояние подрабатываемых выработок в большей мере изучалось в центральном блоке. Здесь выработки подверглись многократной подработке в результате выемки сплошных, богатовкрапленных, вкрапленных и медистых руд. Исследования показали, что в выработках, закрепленных жесткими видами крепи или крепью с заданной податливостью (монолитный бетон и железобетон, комбинированная крепь из штанг и набрызг-бетона и др.) отмечаются разрушения крепи и вывалов породы с кровли и боков.
Деформации расслоения подработанного массива над центральной частью выработанного пространства составили (0,8Ц1,0)10-3, а максимальные оседания превысили 550Ц750 мм.
На руднике Комсомольский в условиях подработки находились выработки вентиляционно-закладочных горизонтов Ц330 м, Ц380 м и Ц420 м на северо-восточном и северо-западном участках шахтного поля. Высота подработки выработок изменялась от 10 до 50 м, а максимальный пролет подработки составил около 350 м.
Комбинированная крепь из набрызг-бетона и железобетонных штанг не обеспечила устойчивости выработок, наблюдалось интенсивное заколообразование и вывалы крупных кусков породы.
Аналогичная картина в подрабатываемых выработках прослеживалась и на руднике Октябрьский.
Расслоение пород в налегающей толще при достигнутых пролетах подработки распространялось на высоту h, которую можно найти из зависимости:
h = 0,4Lподр., (2) где Lподр. - пролет подработки.
Графики рис. 6 позволяют определять величины деформаций слоев подработанной толщи в зависимости от пролета подработки и расстояния до фронта очистных работ.
Было установлено, что в выработках, закрепленных монолитной железобетонной крепью с узлами податливости ВНИМИ, а также арочной металлической податливой крепью СВП-27 и усиленной комбинированной крепью (анкера со сварной металлической решеткой) разрушений крепи и породного контура не отмечено, при этом максимальные деформации в узлах податливости составили (3,5Ц4,0)10Ц3.
Проявления горного давления в надрабатываемых выработках рудников Комсомольский и Октябрьский изучалось на долговременных комплексных наблюдательных станциях с самого начала отработки рудных залежей. Устанавливался характер деформирования выработок с учетом различных горно-геологических и горнотехнических факторов, тектоники полей, систем и порядков разработки рудных тел.
С развитием фронта очистных работ активизировался процесс деформирования надрабатываемых выработок, особенно в зоне опорного давления. Жесткие виды крепи (монолитный бетон, железобетон, комбинированная крепь, из набрызг-бетона и железобетонных штанг) не обеспечили устойчивости выработок. При этом выработки, параллельные фронту работ, подвергались большему разрушению, чем выработки, перпендикулярные фронту.
Анализ данных о деформировании надрабатываемых выработок, ориентированных перпендикулярно развитию фронта очистных работ, позволил установить, что при пролете надработки свыше 180Ц200 м влияние глубины надработки прослеживается на расстоянии hн определяемом по формуле hн = (0,25 - 0,3)L. (3) а L, м 1 - деформирование слоя подработанной толщи пород высотой до 50 м от кровли рудного тела, 2 - то же, в интервале 50Ц100 м по вертикали от кровли рудного тела б l, м l, м Рис. 6. Характер деформирования налегающей толщи пород кровли над центральной частью закладочного массива в зависимости от пролета подработки (а) и деформации подрабатываемых пород кровли в зависимости от расстояния до фронта очистных работ (б) На рис. 7 представлены установленные зависимости величины распространения зон разгрузки в почве отрабатываемого рудного тела для глубины 500 - 600 м и 900 - 1200 м.
Рис. 7. Распространение зон разгрузки в почве отрабатываемого рудного тела на глубинах 500Ц600 м (1) и 900Ц1200 м (2) в зависимости от пролета надработки (L) Пятая глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям устойчивости горных выработок при проявлении зональной дезинтеграции пород.
Зональная дезинтеграция горных пород все еще остается явлением относительно мало изученным. В настоящее время трудно прогнозировать возникновение этого явления вокруг какой-либо конкретной выработки, поэтому методикой наблюдений предусматривался охват как можно большего числа выработок, в которых по тем или иным признакам должно было наблюдаться зональное разрушение пород.
Для наблюдений были выбраны горные выработки рудников Октябрьский и Таймырский. Станции закладывались с минимально возможным по техническим условиям разрывом во времени между выемкой горной массы и сооружением замерной станции.
Замерная станция представляла собой веер скважин, пробуренных в определенном выбранном сечении выработки. Скважины бурили в кровлю и бока выработок, длина их колебалась от 3,5 до 7Ц12 м.
Для определения положения зон трещинообразования в скважинах использовались методы подземного электрического зондирования (ПЭЗ) и электрокаротажа с помощью аппаратуры ИКС-50, СРП-68-0,3, а так же визуальный метод просмотра скважин прибором РВП-451.
Сложившаяся в настоящее время геомеханическая обстановка на рудниках Октябрьский и Таймырский является чрезвычайно сложной, концентрация напряжений в разделительных массивах достигает (3Ц4)Н.
Исследованиями установлено, что вокруг выработок может образоваться до трех и более зон дезинтеграции пород. Первая зона образуется, как правило, на расстоянии 1,5Ц3,5 м от контура выработки, следующие зоны соответственно 3,0Ц5,5 м, 5Ц8 м и т.д. Зоны наведенной интенсивной трещиноватости имеют ширину от 0,15Ц0,2 до 1,0Ц1,5 м. Они отделены одна от другой квазицилиндрическими зонами ненарушенного массива шириной от 0,2Ц0,3 м до 1,1Ц1,5 м и более.
Измерения конвергенции контура выработок при наличии явления дезинтеграции пород показали, что максимальные величины смещений при этом оказываются на порядок выше, чем в выработках тех же горизонтов, вокруг которых это явление не проявлялось.
На рис. 8 показаны характерные графики смещений кровли и почвы выработок при проявлении в их окрестности зональной дезинтеграции.
Зональное разрушение пород вокруг выработок проявляется поразному. В одних выработках сразу после выемки горной массы вблизи контура образуются зоны дезинтеграции и основные смещения пород происходят в течение 6Ц10 часов (рис. 8 а, кривая 1). После БВР в забое слышны сильный гул и треск, которые прекращаются сразу после образования зон дезинтеграции. В других выработках сразу после выемки горной массы дезинтеграционные процессы не наблюдались и смещения контура были незначительные. Но по истечении некоторого времени в ряде выработок это явление проявлялось, причем развитие его происходило примерно за такое же время, как и первом случае (рис. 8 б). Общая величина смещений контура при этом возросла почти на порядок. Вид крепи мало оказывал влияние на скачок смещений контура. Как правило, крепь разрушалась, происходили вывалы пород.
Измерения показали, что местами дезинтеграции породного массива являются зоны повышенных напряжений. После образования зон дезинтеграции в выработках смещения контура стабилизируются и в течение длительного времени их рост остается незначительным. Таким образом, способы крепления и поддержания выработок при проявлении зональной дезинтеграции пород должны строиться на принципиально иной основе. В случае зональной дезинтеграции массив горных пород представлен не квазисплошной, а слоистой средой.
Была решена статическая задача о напряженном состоянии в окрестности выработки круглого сечения, окруженной кольцами раздробленных и ненарушенных пород. Решение этой задачи позволяет определить один из важнейших для практики параметров - расстояние от контура выработки до внешней границы наиболее удаленной зоны разрушения, которое совпадает с удалением максимума опорного давления.
а 1 - ремонтная камера самоходного оборудования, гор. -1050 м (РТ), 2 - откаточный штрек, гор. -1050 м (РТ) б 1 - откаточный квершлаг № 4 гор. - 800 м, крепь - монолитный бетон (РО), 2 - западный вентиляционно-закладочный уклон, гор. - 950 м, крепь монолитный ж/б (РТ) Рис. 8. Графики вертикальных смещений пород в горных выработках рудников Октябрьский (РО) и Таймырский (РТ) Шестая глава диссертации посвящена разработке рекомендаций по выбору типов крепи горных выработок для различных геомеханических условий.
Выбор вида крепи производится в зависимости от класса выработки по ее назначению и роли в функционировании рудника, интенсивности проявлений горного давления и срока службы выработки.
В качестве критерия проявлений горного давления в выработках принимается смещение их породного контура за весь срок службы и выявленные формы разрушений контура, характерные для типичных геомеханических условий эксплуатации выработок данной группы. В табл. 2 приведены предельно допустимые смещения контура выработок для различных видов крепи.
В зависимости от назначения и сроков службы выработки ее поддержание на каждый период эксплуатации может осуществляться одним видом крепи, но с параметрами, соответствующими реализации смещений породного контура в конкретной геомеханической ситуации.
В табл. 3 представлены рациональные виды крепи выработок для различных геомеханических условий.
Таблица 2. Предельно допустимые смещения различных видов крепи Величины предельно до№ Вид крепи пустимых смещений п/п (Uкр), мм 1 Монолитная бетонная и железобетонная 10Ц2 Набрызг-бетонная 20Ц3 Железобетонная сборная 4 Анкерная (ж/б анкеры) 5 Комбинированная из набрызг-бетона и ж/б анке- 30Цров 6 Набрызг-бетонная армированная стекловолокном 75Ц17 Комбинированная из набрызг-бетона с упруго- 80Ц1податливыми анкерами 8 Усиленная комбинированная из ж/б штанг, на- 100Ц1брызг-бетона и сварной металлической решетки 9 Монолитная железобетонная с поясами податли- 50Ц1вости 10 Деревянная рамная 111 Металлическая арочная податливая трехзвенная 3(типа АП) 12 Металлическая податливая пятизвездная или коль- 500Ц7цевая Следует различать три вида потери устойчивости пород.
Первый - вывалы, отслоения, обрушения горной массы по поверхностям ослабления, трещинам, контактам, напластованию, сланцеватости. Ис следования показали, что данный вид потери устойчивости наблюдается, как правило, в сильно нарушенных массивах при больших углах падения поверхностей ослабления.
Таблица 3. Рациональные виды крепи выработок для различных геомеханических условий Группа Рациональные типы крепи Примечание выработок I класс Монолитная бетонная и железобетонная;
Группа А тюбинговая; комбинированная из монолитного бетона и железобетона и анкеров; комбинированная из анкеров, сварной металлической решетки и набрызгбетона II класс Монолитная бетонная и железобетонная; В зонах тектоничеГруппа А, С, Д монолитная бетонная и железобетонная с ских нарушений препоясами податливости, металлическая дусматривается упарочная податливая; металлическая по- рочнение вмещаюдатливая с анкерами; комбинированная щих пород смолами из анкеров, металлической сварной ре- или цементацией (при шетки и набрызг-бетона необходимости) III класс Анкерная; набрызг-бетонная, металличе- Группа А, В ская арочная, податливая с анкерами;
комбинированная из анкеров, сварной металлической решетки и набрызг-бетона IV класс При небольшом сроке службы выработки Группа А в слабонарушенных породах и рудах могут эксплуатироваться без крепи Второй тип - разрушение пород в зонах концентрации напряжений.
Данная форма неустойчивости выработок проявляется в сильно напряженных массивах на большой глубине, а также в зонах влияния очистных работ, когда подготовительные выработки оказываются в зоне опорного давления или при действии в массиве высоких тектонических напряжений.
Третий тип - значительные смещения пород в выработку, приводящие к уменьшению ее поперечного сечения. Данный вид потери устойчивости характерен для проходки выработок на большой глубине в породах малой прочности.
Приведенные исследования позволили создать единую классификацию устойчивости горных выработок (см. табл. 4), в которой нашли отражение геологическая и геомеханическая составляющая. Единая классификация устойчивости выработок позволяет геологическим службам рудников выдавать необходимые сведения технологам, на основании которых можно обоснованно выбирать тип крепи, соответствующей реальным геологическим и геомеханическим условиям эксплуатации выработок и выполнять расчеты ее параметров.
Сформулированы дополнительные требования к крепи для выработок, проводимых в условиях проявления зональной дезинтеграции, в зонах тектонической нарушенности и воздействия неравнокомпонентных полей напряжений. Крепь должна: обеспечить совместную работу всех элементов крепи по закрепляемому контуру выработки; активно воздействовать на упрочняемую часть приконтурного массива на всех стадиях поддержания выработки; обеспечивать сейсмоустойчивость выработок в условиях динамических проявлений горного давления на удароопасных участках и вблизи ведения взрывных работ; обеспечивать затяжку кровли и стенок выработок, исключающую развитие вывалов породы и лобыгрывание элементов крепи; включать элементы податливости; обладать способностью приспосабливаться к неровностям контура; обладать способностью воспринимать локальные концентрированные нагрузки и равномерно распределять их по периметру выработки; отвечать требованиям технологичности возведения;
обеспечивать возможность усиления и ремонта крепи без существенных капитальных затрат и специального оборудования; быстрый (в течение 5Цмин.) набор несущей способности крепи после ее установки.
Данные требования были в значительной степени учтены при разработке и испытаниях новых конструкций крепи, а именно: усиленной комбинированной крепи с двойным слоем набрызг-бетона; крепи сопряжений, в которой основные несущие элементы состоят из кустов предварительнонапряженных анкеров; системно-секционной комбинированной крепи (ССКК), состоящей из анкеров с закреплением связующим составом по всей длине, сварной решетчатой затяжки, секций гибких решетчатых подхватов и набрызг-бетона (рис. 9); комбинированной крепи с установленными в боках от почвы до пяты свода вертикальными металлическими элементами из швеллера, спецпрофиля или полосовой стали, закрепленными анкерами в почве, боках и пяте свода выработки; упругой решетки-подхвата, позволяющей создавать предварительный подпор вокруг анкеров 25Ц30 кН/м2.
Указанные конструкции крепи прошли лабораторные и промышленные испытания и успешно применяются на рудниках НГМК. Описание конструкций, условий их применения и результаты испытаний приведены в диссертации.
Седьмая глава диссертации посвящена разработке методик расчета параметров крепи горных выработок для различных геомеханических условий их эксплуатации.
Методика расчета параметров крепления и поддержания горных выработок в массиве в обычных условиях.
Обычные условия проведения и поддержания выработок характеризуются отсутствием областей с повышенными полями напряжений от влияния очистных работ, тектоники, оставленных целиков и т.п. Этим условиям соответствует выработки группы А (см. табл. 3).
Таблица 4. Классификация пород и руд по их устойчивости в горизонтальных и наклонных выработках шириной до 6 м Характер поведения пород после Нарушенность пород их обнажения в выработках Характеристика наиболее развитых систем трещин Основные по нали- вывалы, формы разручию ос- отслое- смещения по углу по рельефу элементар- шения лабляю- ния падения стенок ного блока щих минералов 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Ус- Две верти- Нет Все три не- Паралле- >20 Слабая - Отслое- Локаль- В пределах и тойчи кальные ровные или лепипед- (породы ния от- ные за пределачи- шероховатые ная, плит- выглядят дельных разру- ми упруго(>70), одна вые чатая, реже свежими) кусков шения сти. За прегоризон - призма- породы, сопро- делами уптальная тическая длитель- вожд. ругости до (<10) ность от- 50 мм в осаобнаж. дельн. дочн. поробез вы- обр. с дах или до валов до кровли 25 мм в 6 мес. и боков магматич.
Сред Две верт., По одной Одна вертик. Призмати- >10 От сла- > 30 Отдель- Образо- Затухающие ней одна гори- вертик. гладкая, ос- ческая, па- бой до ные вы- вание смещения до устой зонт. или есть ос- тальные не- раллелепи- средней валы из зон ло- 200 мм в той- пологая (10 - лаб. ровные или педная, (в породе кровли кальных осадочных чиво- минер. шероховатые. плитчатая, имеется до 1,0 м. разру- породах или 30).Одна сти По гори- Горизонт. трапецеи- неболь- Длит. шений в до 100 мм в верт., другая зонт. - гладкая, ос- дальная шое ко- обнаж. бортах магматичеверт. или крутая (50 - ослаб. тальные - личество без вы- и кров- ских пороминера- неровные, ослабл. валов до ле выр. дах 70), третья лы шероховатые минер.) 0,5 мес.
горизонт.
Степень ний сист. трещин устойчивости Протодьяконову Угол встречи оси ляющих втоКоэф. крепости по Среднее расст.
Степень ослабричных изменевыр. с наиб. развитой между трещ., см Окончание таблицы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Сла- Одна на- По двум Две гладкие, Ромбоэнд- > 5 От слабой - Система- Зоны раз- Смещебой клон. крут., есть ос- остальные - рическая, до сильной тические рушений ния до ус- другая на- лабляю- неровные или линзовид- (порода вывалы, в охваты- 500 мм той- клон. (30 - щие ми- шероховатые ная, парал- заметно том числе вают в осачиво- нералы лелепипед- изменена) мощно- большую дочных 50) или сти ная стью бо- часть кон- породах крут., третья Одна крутая лее 1 м, тура вы- или до наклон.
Одна вер- По гори- гладкая, ос- Трапецеи- длитель- работки и 200 мм зонт. тальные - дальная, ность об- распро- в магтик., другая крутая, тре- есть ос- неровные или параллеле- нажения страняют- матичетья горизон- лабл. шероховатые. пипедн., без выва- ся на глу- ских минер. Горизонталь- плитчатая, лов до 1 бину бо- породах тальная или ная гладкая, призма- суток лее 1 м пологая Две верти- По од- остальные - тич., ной- неровные или линзовидкальные, одна гори- двум шероховатые ная, роместь ос- боэндричезонтальная лабл. ская минер.
Неус- Лю- Две наклон- По трем Все три глад- Линзовид- - От слабой - Обруше- Интен- Смещетой- бые ные или есть ос- кие ная, че- до сильной ния сразу сивные ния чи- зна- крутые, тре- лабляю- шуйчатая, (порода после об- разруше- >500 мм вые че- тья пологая щие ми- ромбоэнд- заметно нажения. ния пород в оса(раз- ния или наклон- нералы рическая, изменена) В движе- по всему доч. подроб- ная реже плит- ние при- контуру родах лен- чатая, па- ходят выработ- или ные) раллелепи- большие ки >200 мм педная и массы пов магдр. роды матич.
породах 1 - анкер; 2 - сварная решетка; 3 - секция гибких решетчатых подхватов;
4 - клин; 5 - набрызг-бетон Рис. 9. Системная секционная комбинированная крепь Для определения параметров комбинированной крепи, которая в настоящее время является базовой крепью на рудниках Талнахского рудного узла и состоит из анкеров (железобетонных или сталеполимерных, набрызгбетона и сварной металлической решетки), автором, по результатам проведенных исследований построены номограммы (рис. 10), пользуясь которыми можно определить требуемые параметры.
Методика определения параметров крепи в массиве в зоне действия повышенных напряжений.
К этим условиям относятся выработки групп В, С и классов II, III (см.
табл. 3).
Для определения параметров комбинированной крепи в этих условиях построена номограмма, аналогичная приведенной на рис. 10.
В породах и рудах весьма сильной нарушенности (раздробленные породы) базовую комбинированную крепь не рекомендуется использовать как средство усиления поддерживающих видов крепи.
l , м Н, м а = 1х1 м b = 0,8 х 0,8 м с = 0,7 х 0,7 м d = 0,6 х 0,6 м е = 0,5 х 0,5 м К - коэффициент, зависящий от угла встречи выработки с основной системой трещин;
В - ширина выработки; С - сетка штангования; Н - глубина; l - глубина штангования Рис. 10. Номограмма для определения параметров комбинированной крепи в обычных условиях Методика крепления горных выработок в условиях проявления зональной дезинтеграции.
Как было показано выше, основным признаком зональной дезинтеграции является разрушение массива на контуре и в глубине с образованием чередующихся зон нарушенных и условно ненарушенных пород, повторяющих контур выработки. При этом массив приобретает структуру и свой ства слоистого массива. Крепление выработок в таком массиве целесообразно осуществлять комбинированной крепью путем формирования с помощью анкеров несущего слоя определенной мощности.
Мощность несущего слоя пород, скрепляемого анкерами, определяется по формуле, полученной в результате обработки экспериментальных данных:
kгkуkп mнс = 16В, (4) Rkзап c где В - ширина выработки в проходке, м; - объемный вес пород, мН/м3;
kг - коэффициент глубины, следует принимать kо = 1,5 в условиях действия повышенного поля напряжений от влияния тектоники, и kо = 2,5 при попадании выработки в зону опорного давления от влияния очистных работ или проведении ее в этой зоне; kу - коэффициент влияния на упрочнение пород угла встречи анкеров с развитой системой трещин, находится в пределах kу = 1,2Ц1,7; kп - коэффициент пригрузки принимается равным 1,55 при образовании одной зоны дезинтеграции, 2,4 при двух и 3,2 при трех зонах дезинтеграции; kзап. - коэффициент запаса с увеличением прочности пород с 60 до 200 МПа уменьшается с величины 1,8 до 1,0 и определяется по графику приведенному в диссертации; Rс - прочность пород на одноосное сжатие, МПа.
Длину анкеров принимают равной:
la = mнс + lв, (5) где lв - длина выступающей в выработку части анкера, м.
Сопротивление анкерной крепи Рак и требуемое количество анкеров в ряду (Пк) определяется по графику и формулам приведенным в диссертации.
Методика определения параметров крепи выработок в зонах разгрузки.
В зонах разгрузки находятся выработки, расположенные в подработанном и надработанном массивах; пройденные вприсечку к закладочному массиву; проведенные и поддерживаемые в массиве, разгруженном скважинами большого диаметра.
Для вновь подготавливаемых горизонтов в случае применения жестких видов крепи (монолитный бетон, железобетон, набрызг-бетон и т.п.) выработки в подрабатываемом массиве располагают за пределами областей повышенных и критических деформаций, но не ближе чем показано в табл. 5 при развитых пролетах подработки. Данные табл. 5 корректируются умножением на коэффициент kп влияния эффективной мощности рудной залежи, приведенный в диссертации.
Для вновь подготавливаемых горизонтов, если используются жесткие виды крепи, выработки в надработанном массиве следует располагать за пределами зоны существенного влияния очистных работ, не ближе, чем на расстояния, приведенные в табл. 5, при развитых пролетах подработки.
Данные табл. 5 корректируются, путем умножения их на коэффициент влияния мощности обрабатываемой рудной залежи (km), представленный в диссертационной работе.
Таблица 5. Минимально допустимые расстояния от контура рудного тела до подрабатываемой (числитель) или надрабатываемой (знаменатель) выработки Глубина от Расстояние между рудной залежью и выработкой (м) в зависимости поверхности от расчетной прочности пород на ее контуре Rc, МПа до выработ- До 20 30 40 50 60 90 120 140 Более ки, м 1120 100 80 До 200 - - - - - 40 35 25 160 140 120 100 1400 - - - - 50 35 30 210 190 170 150 130 100 600 - - 60 35 40 35 230 210 190 170 150 120 110 800 - 70 60 65 50 45 40 250 230 210 190 170 160 140 110 1090 80 60 45 75 70 50 280 260 240 220 190 180 160 140 11295 85 80 75 65 50 45 320 290 270 250 230 210 190 160 115100 50 95 90 85 75 65 Методика определения параметров крепи выработок в зоне тектонических нарушений.
За критерий оценки устойчивости закрепленных подготовительных выработок, пройденных вблизи тектонических нарушений, принята предельная величина смещений их контура.
В результате геолого-структурных исследований в выработках, пройденных вблизи нарушений, установлена связь величины амплитуды смещения нарушения с размерами зон нарушенности в висячем и лежачих боках нарушений и величина коэффициента структурного ослабления. В зависимости от условий поддержания выработок выделены 3 группы. В автореферате, в качестве примера, приводится порядок расчета только для одной - третьей группы выработок. Расчетные формулы и величины включенных в них параметров приведены в диссертации.
Для выработок третьей группы условий поддержания, пройденных параллельно нарушению на расстоянии от него более пролета выработки, метод прогноза смещений заключается в следующем:
1) по данным геологоразведочного бурения выявляют порядок нарушения (амплитуду смещения). Порядок нарушения определяет величину коэффициента структурного ослабления и протяженность зон одинаковой нарушенности в висячем и лежачем боку;
2) определяют расчетный предел прочности массива пород на сжатие с учетом коэффициента структурного ослабления;
3) анализируют горнотехнические условия. Они определяют максимальный коэффициент концентрации напряжений (зависит от порядка нарушения и расстояния от выработки до нарушения);
4) рассчитывают радиус зоны предельного состояния и неупругих деформаций пород;
5) по эмпирической зависимости определяют начальные смещения пород;
6) определяют величину смещений пород с учетом угла встречи выработки с тектоническим нарушением (основной наиболее развитой системой оперяющей трещиноватости). Затем, определяют коэффициент изменения начальных смещений пород по установленной зависимости от величины структурного ослабления пород и угла встречи выработки с основной системой трещиноватости. С учетом этого коэффициента определяют смещения;
7) определяют коэффициент увеличения смещений пород в зоне влияния очистных работ по установленной его зависимости от расстояния до тектонического нарушения и расстояния до фронта очистных работ;
8) размер зон предельного состояния пород и ожидаемые расчетные смещения служат обоснованием для выбора вида и параметров крепи.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертации на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технические и технологические решения обеспечения устойчивости подземных горных выработок, пройденных в предельно-напряженном рудном массиве блочного строения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны. Научно обоснован ряд технических и технологических решений, позволивших повысить эффективность и безопасность отработки рудных месторождений на больших глубинах.
Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем.
1. На больших глубинах в реальном горном массиве блочного строения вокруг выработок формируется поле повышенных напряжений, которое относительно их сечения характеризуется неоднородностью и асимметричностью. Величина напряжений на отдельных участках контура выработок в несколько (3Ц5) раз превышает прочность окружающего массива и несущую способность крепи и является причиной их деформаций и разрушения.
2. Установлены закономерности проявлений горного давления в горных выработках, проводимых до начала очистных работ, расположенных в зоне опорного давления, в надработанном и подработанном массиве. Построены номограммы, позволяющие производить прогноз смещений контура выработки при прочности пород на сжатие от 20 до 80 МПа в диапазоне глубин до 1500 м.
3. В зоне влияния тектонических нарушений интенсивность проявлений горного давления зависит от взаимного расположения выработки и плоскости сместителя, угла встречи с ним, расположения ее в лежачем или висячем боку нарушения. Получены зависимости смещений кровли и объемов обрушений пород от указанных факторов. Установлено, что основной формой вывалов пород на участке тектонических нарушений являются вывалы из кровли с образованием несимметричного свода шатровой формы.
Высота свода обрушения может превысить пролет выработки, а основную роль в разрушении контура выработки играют тектонические горизонтальные напряжения.
4. Установлено, что на большой глубине вокруг выработки на различном расстоянии от контура формируются области, в которых напряжения в 1,5Ц2,0 и более раз превышают исходные, в этих местах и происходят последующие разрушения пород с образованием вокруг выработки дезинтеграционных зон, при этом блочный массив на расстоянии от контура выработки 7Ц12 м превращается в слоистый трещиноватый массив с толщиной слоев от 0,6Ц0,8 до 1,2Ц1,7 м. Величины смещений пород на контуре при проявлении зональной дезинтеграции на порядок превышают величину смещений в выработках, в которых не отмечено это явление. Интенсивный рост смещений в проводимой выработке происходит в течение 6Ц10 часов и достигает 50Ц300 мм. В ранее пройденной выработке при создании условий зональной дезинтеграции смещения развиваются мгновенно, достигая указанных величин часто с повреждениями крепи и вывалами породы.
5. Экспериментально решена задача о напряженном состоянии в окрестности выработки круглого сечения, окруженной кольцами раздробленных и ненарушенных пород. Решение этой задачи позволяет определить один из важнейших для практики параметров - расстояние от контура выработки до внешней границы наиболее удаленной зоны разрушения. Доказано, что зональная дезинтеграция является незаконченной фазой перехода породы в предельное состояние с сохранением вероятности перехода в предельное состояние во всем объеме зоны опорного давления.
6. Доказано, что при определении параметров крепи горных выработок на больших глубинах в качестве критерия проявлений горного давления необходимо принимать не только смещения их породного контура за весь срок службы, но и формы разрушений, характерные для геомеханических условий эксплуатации выработок данной группы. Разработана классификация устойчивости горных выработок, в которой, в отличие от известной, нашли отражения не только геологическая, но и геомеханическая составляющая, на основании которых можно обоснованно выбирать тип крепи, соответствующий реальным условиям эксплуатации выработок и выполнять расчеты ее параметров.
7. Установлено, что конструкции и взаимодействие элементов практически всех применяемых типов крепей рассчитаны для случаев формирования в поддерживаемом массиве симметричного однородного поля напряжений, в котором суммарный вектор преобладающих деформаций близок к вертикальному. Это в большинстве случаев не соответствует реальному полю напряжений, формирующихся в массиве вокруг горных выработок.
Сформулированы требования к конструкциям крепи, обеспечивающим устойчивое состояние выработок в рассматриваемых условиях. Показано, что при выборе и установлении параметров крепи необходимо принимать во внимание не только смещения породного контура за весь срок службы, но и выявленные формы разрушений контура, характерные для геомеханических условий эксплуатации выработок данной группы.
8. Разработаны и испытаны новые конструкции крепи и ее элементов, соответствующие сформулированным требованиям, а также выявленным величинам смещений и формам разрушения выработок: усиленной комбинированной крепи с двойным слоем набрызг-бетона, сопряжений, в которой основные несущие элементы состоят из кустов предварительнонапряженных анкеров, комбинированной крепи с установленными в боках выработки от почвы до пяты свода вертикальными металлическими элементами из швеллера спецпрофиля или полосовой стали, закрепленных анкерами в почве боках и пяте свода выработки; упругой решетки-подхвата, позволяющей создавать предварительный подпор вокруг анкеров равный 25 - 30 кН/м2.
9. Разработаны методики определения параметров крепи горных выработок для определенных геомеханических условий их эксплуатации: одиночных выработок, пройденных в сильно напряженном породном массиве, в том числе при проявлении зональной дезинтеграции; выработок, пройденных в подработанном и надработанном массиве; в зонах влияния тектонических нарушений; в зонах повышенного опорного давления под влиянием очистных работ.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Аршавский В.В. Опыт укрепления приконтурного массива горных пород на рудниках Норильского комбината [Текст]/ В.В. Аршавский, В.П.
Марысюк, Б.Н. Самородов, Л.А. Спирин, А.П. Тапсиев, Б.П. Бадтиев // Горный журнал. - 1999. - № 2. - С. 77Ц79.
2. Бадтиев Б.П. Проявления горного давления в выработках, проводимых в трещиноватых породах [Текст] / Б.П. Бадтиев, В.Н. Рева, М.А. Розенбаум // Горный журнал. - 1999. - № 10. - С. 13Ц16.
3. Бадтиев Б.П. Поддержание горных выработок глубоких рудников Норильска при условии зонального разрушения пород [Текст] / Б.П. Бадтиев, В.Н. Рева, М.А. Розенбаум // Сборник ВНИМИ. - СПб, 1999. - С. 175 - 178.
4. Валетов А.В. Современное состояние минерально-сырьевой базы ОАО НГМК [Текст] / А.В. Валетов, О.И. Олешкевич, Б.П. Бадтиев и др. // Цветные металлы. - 2000. - № 6. - С. 10Ц14.
5. Богданов М.Н. Перспективы развития горного производства [Текст] / М.Н. Богданов, Б.М. Липчанский, Б.П. Бадтиев // Цветные металлы. - 2000.
- № 6. - С. 18Ц21.
6. Бадтиев Б.П. Геомеханическая ситуация при отработке разделительного массива РМ-2 [Текст] / Б.П. Бадтиев, Е.А. Бабкин, Ю.Н. Наговицин и др. // Горный журнал. - 2001. - № 4. - С. 22Ц24.
7. Ананикян С.А. Исследование влияния взрыва на устойчивость рудовмещающего массива при комбинированной разработке месторождений [Текст] / С.А. Ананикян, О.З. Габараев, Б.П. Бадтиев и др. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2001. - № 11. - С. 98Ц101.
8. Бадтиев Б.П. Формирование устойчивых структур при поддержании горных выработок на рудниках Талнаха [Текст] / Б.П. Бадтиев, Е.А. Бабкин, В.Н. Рева и др. // Горный журнал. - 2004. - № 12. - С. 28Ц32.
9. Аршавский В.В. Геодинамическое моделирование рудного месторождения [Текст] / В.В. Аршавский, В.В. Зубков, Н.И. Мишин, А.Н. Шабаров, Б.П. Бадтиев // Горный журнал. - 2004. - № 12. - С. 32Ц36.
10. Богданов М.Н. Техническое перевооружение и модернизация горного производства ЗФ ОАО ГМК Норильский никель [Текст] / М.Н. Богданов, Б.П. Бадтиев, С.П. Горбунов // Добыча и переработка руд норильского промышленного района (сборник научных трудов НИИ). - Норильск, 2005 - С. 4Ц10.
11. Аршавский В.В. Об одном кинематическом критерии прогнозирования предельного состояния массивов горных пород по шахтным сейсмологическим данным [Текст] / В.В. Аршавский, Е.А. Бабкин, В.И. Востриков, Б.П. Бадтиев и др. // ФТПРПИ. - 2006. - № 6. - С. 3Ц10.
12. Акинин А.А. Видеокаротажный зонд [Текст] / А.А. Акинин, Е.А.
Бабкин, В.И. Востриков, В.Н. Опарин, А.П. Тапсиев, Б.П. Бадтиев // ФТПРПИ. - 2006. - № 6. - С. 119Ц124.
13. Востриков В.И. Анализ сейсмоактивности породного массива рудников Норильского месторождения в период 1994-2005 гг. [Текст] / В.И. Востриков, Б.П. Бадтиев, Н.Ф. Жилкина и др. // Тр. научной конф. с участием иностранных ученых Геодинамика и напряженное состояние недр Земли (10-13 окт. 2005 г). - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2006. - С. 7Ц15.
14. Бадтиев Б.П. Совершенствование технологии горных работ в сложных горно-геологических условиях [Текст] / Б.П. Бадтиев, Е.А. Бабкин, Х.Х. Кожиев // Горный журнал. - 2006. - № 9. - С. 50Ц52.
15. Аршавский В.В. Опыт внедрения слоевой восходящей выемки руды с магазинированием и применением дизельного самоходного оборудования на горных предприятиях ЗФ ОАО ГМК Норильский никель [Текст] / В.В. Аршавский, Б.П. Бадтиев, А.Г. Анохин и др. // Тр. конф. Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды с участием иностр. ученых (10-13 окт. 2006 г.) в 2-х т. Т 1. Геотехнологии. - Новосибирск: Изд-во ИГД СО РАН, 2007. - С. 59Ц67.
16. Бодалов В.Е. Уникальная технология закладочных работ на руднике Комсомольский [Текст] / В.Е. Бодалов, В.М. Гига, Х.Х. Кожиев, Б.П. Бадтиев и др. // Горный журнал. - 2007. - № 1. - С. 15Ц18.
17. Анохин А.Г. Совершенствование восходящей слоевой системы разработки с закладкой для выемки медистых руд [Текст] / А.Г. Анохин, В.П. Марысюк, Ю.Н. Наговицин, Б.П. Бадтиев и др. // Цветные металлы. - 2007. - № 7. - С. 9Ц12.
18. Опарин В.Н. Обоснование концепции рудника будущего для условий отработки мощных пологих медно-никелевых залежей на больших глубинах [Текст] / В.Н. Опарин, И.И. Айнбиндер, Ю.И. Родионов, П.Г. Пацкевич, Б.П. Бадтиев, и др. // ФТПРПИ. - 2007. - № 6. - С. 89Ц100.
19. Бадтиев Б.П. Развитие системы управления горным давлением и технологии крепления выработок на рудниках ЗФ ОАО ГМК Норильский никель [Текст] / Б.П. Бадтиев, Е.А. Бабкин // Горный журнал. - 2008. - № 5. - С. 17Ц20. Опарин В.Н. Мировой опыт автоматизации горных работ на подземных рудниках [Текст] / В.Н. Опарин, Е.П. Русин, А.П. Тапсиев, А.М. Фрейдин, Б.П. Бадтиев // Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т горного дела. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007. - 99 с.
21. Учебное пособие для специальности 130404 Дипломное проектирование. Норильский индустриальный ин-т [Текст] / М.С. Скачков, А.Н. Ламзин, Б.В. Федоренко, Б.П. Бадтиев. - Норильск: Изд-во НИИ, 2007. - 266 с.
22. Опарин В.Н. Зональная дезинтеграция горных пород и устойчивость подземных выработок [Текст] / В.Н. Опарин, А.П. Тапсиев, М.А. Розенбаум, В.Н. Рева, Б.П. Бадтиев, А.И. Чанышев. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. - 280 с.
23. Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, объектах строительства подземных сооружении склонных и опасных по горным ударам РД 06-329-99 [Текст] / А.М. Ильин, И.М. Петухов, А.А. Филинков, Б.П. Бадтиев и др. - М.: Госгортехнадзор России, 2000. - 179 с.
24. Указания по безопасному ведению горных работ на Талнахском и Октябрьском месторождениях, склонных и опасных по горным ударам [Текст] / А.Л. Анохин, А.А. Андреев, В.В. Аршавский, Б.П. Бадтиев и др. - Норильск, 2001. - 107 с.
25. Указания по безопасному ведению горных работ на Талнахском и Октябрьском месторождениях [Текст] / А.Л. Анохин, А.А. Андреев, В.В. Аршавский, Б.П. Бадтиев и др. - Норильск, 2007. - 174 с.
26. Опарин В.Н. Современное состояние, проблемы и стратегия развития горного производства на рудниках Норильска [Текст] / В.Н. Опарин, А.П. Тапсиев, М.Н. Богданов, Б.П. Бадтиев и др. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. - 372 с.