Методика оценки напряженного состояния краевой части рудного массива при отработке глубоких рудников талнаха «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Вид материала | Документы |
- Разработка спектрально-акустического метода контроля изменения напряженного состояния, 293.41kb.
- Экспериментальное обоснование прочности и разрушения насыщенных осадочных горных пород, 554.01kb.
- Прогнозирование прочности и устойчивости горных пород по фрактальной размерности линии, 305.61kb.
- Геоинформационная модель по оценке сейсмического воздействия подземных взрывов на консольные, 236.67kb.
- Программа научной конференции «геомеханика в горном деле», 112.96kb.
- Удк 622. 831: 622. 502 551. 14 550343. 4 Совершенствование методов оценки геодинамического, 633.09kb.
- Методические указания квыполнению курсовой работы по дисциплине «Разрушение горных, 944.39kb.
- Определение свойств горных пород и оценка сопротивляемости горных пород разрушению, 79.2kb.
- Внеклассное мероприятие: «Вудивительном мире камня» (экскурсия знакомство с минералами, 69.88kb.
- Исследование влияния геометрических параметров оборудования на форму и размеры трещины, 74.33kb.
На правах рукописи
МАРЫСЮК Валерий Петрович
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ КРАЕВОЙ ЧАСТИ РУДНОГО МАССИВА ПРИ ОТРАБОТКЕ ГЛУБОКИХ РУДНИКОВ ТАЛНАХА
«Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Специальность 25.00.20.- -
А в т о р е ф е р а т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
САНКТ – ПЕТЕРБУРГ
2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) и Научно-исследовательском институте горной геомеханики и маркшейдерского дела – межотраслевой научный центр (ВНИМИ)
Научный руководитель - доктор технических наук Шабаров Аркадий Николаевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук
профессор Огородников Юрий Никифорович,
кандидат технических наук
Смирнов Альберт Андреевич
Ведущее предприятие – Норильский индустриальный институт
Защита состоится 15 мая 2009 г. в 14 ч 15 мин на заседании Диссертационного совета Д 212.224.06 Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В. Плеханова (технического университета) по адресу 199106, Санкт-Петербург, 21 линия, д. 2, аудитория №1160.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного горного института имени Г.В. Плеханова (технического университета)
Автореферат разослан 15 апреля 2009 г.
Ученый секретарь
Диссертационного совета,
д.т.н. профессор Э.И. Богуславский
ОБЩАЯ ХАРАКТРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
В настоящее время геомеханическая обстановка на глубоких рудниках Талнаха представляется крайне осложненной. Это связано: во - первых, с увеличением глубины разработки рудных залежей до 1000 и более метров и, во – вторых, с формированием зон повышенного горного давления, вызванного как горно-геологическими, так и горнотехническими причинами. Горно-геологические причины обусловлены тем, что в структурном плане Талнахский рудный узел разбит серией разрывных нарушений на тектонические блоки, в которых прослеживаются почти все уровни трещиноватости: крупные разрывы, связанные с региональными полями тектонических напряжений; разрывы, связанные с локальными складчатыми структурами, и системы макро- и микротрещин. При этом сам рудный массив представлен прочными и высокомодульными разновидностями руд, склонными при нагружении к разрушению в динамическом режиме. К горнотехническим причинам следует отнести особенности принятых на рудниках схем подготовки и порядок отработки шахтных полей, не исключающих ведение горных работ в узких целиках. Отработка таких целиков вызывает формирование в рудном массиве сложного поля напряжений, представляющего собой суперпозицию первичных и техногенных напряжений, уровень которых не исключает вероятность проявления в целиках динамической форм разрушения краевой части рудного массива.
Таким образом, на глубоких рудниках Талнахского и Октябрьского месторождений сформировались особо сложные условия ведения горных работ с повышенной вероятностью динамических форм проявления горного давления. В связи с этим возникает необходимость проведения мероприятий по приведению массива в неударопасное состояние с постоянным и жестким контролем напряжено-деформированного состояния рудного массива при ведении горных работ в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях.
Исследованию напряженно-деформированного состояния массива горных пород посвящены работы ученых С. Г. Авершина, В.В Аршавского, Н.С. Булычева, В.А. Звездкина, В.П. Зубова, В.И. Иванова, А.А. Козырева, Г.Н. Кузнецова, К.В. Кошелева, А.М. Линькова, В.Н. Опарина, Н.Ю. Рассказова, М.А. Розенбаума, В.Д. Палия, И.М. Петухова, А.Г. Протосени, А.Н. Ставрогина, В.С. Сидорова, А.П. Тапсиева, А.А.Филинкова, А.Н. Шабарова, Е. И. Шемякина и др. В этих работах отражены важнейшие положения механики горных пород и массивов, составляющих основу ее современного состояния.
Тем не менее, методы экспериментальной оценки геомеханического состояния массива существенно отстают от теоретических исследований. По-прежнему ведущую роль играет весьма трудоемкая оценка напряженного состояния по дискованию керна, для получения более точных оценок используется еще более трудоемкий метод разгрузки. Поэтому основной темой работы стал анализ реакций горного массива на повышенные напряжения и разработка нового метода текущего прогноза и оперативной оценки напряженности краевой части рудного массива.
Цель работы: разработка методики оценки напряженного состояния краевой части рудного массива при отработке глубоких рудников Талнаха.
Идея работы: для оперативной оценки напряженного состояния краевой части рудного массива необходимо использовать вид и характеристики деформирования стенок скважины.
Задачи исследований:
1. Выявить условия формирования и особенности напряженно-деформированного состояния краевой части рудного массива, попадающей в зону влияния горных работ, и установить закономерности изменения прочностных и деформационных характеристик в зависимости от расстояния от обнажения;
2. Исследовать и установить закономерности деформирования стенок скважин, пробуренных в краевой части рудного массива, находящейся вне и в зоне влияния горных работ;
3. Установить закономерности между параметрами деформирования стенок скважин и напряженно-деформированным состоянием краевой части рудного массива и разработать на этой основе методику оценки ее напряженности.
Научная новизна работы:
1. Определено, что, что в зонах влияния очистных и подготовительных выработок вследствие зонального распределения концентраций напряжений прочность пород дифференцирована в функции удаления от обнажения с шагом, составляющим 0,2 - 0,5 максимального размера выработки;
2. Установлено, что увеличение радиуса скважины, пробуренной в зоне влияния горных работ, пропорционально отношению максимального напряжения σmax к прочности массива: , где R2 – радиус скважины, dскв – ее исходный диаметр, σсж – фактическая прочность породы в краевой части рудного массива.
Основные защищаемые положения:
1. При отработке рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений зональная дезинтеграция краевой части массива сопровождается образованием участков пород, отличающихся прочностными свойствами и уровнем напряжений, причем изменения прочности (повышение и снижение на разных участках) в зоне влияния одиночной выработки достигают 15 %, а в зоне влияния очистных работ – 30 %;
2. Дискование керна и разрушение стенок скважины представляют собой две тесно связанные между собой формы реакции массива на действие повышенных напряжений, при этом существует значимая и надежная корреляция (R>0,95) между оценками максимальных напряжений, полученных на основе этих двух явлений;
3. С целью реализации эффективной методики оценки и прогноза параметров техногенных напряжений при развитии очистных работ следует использовать данные об изменениях радиусов скважин, пробуренных в краевую часть рудного массива в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается большим объемом лабораторных и шахтных исследований, применением современных методов статистической обработки экспериментальных данных и анализа геомеханического состояния массива горных пород, а также положительными результатами промышленного использования разработанной методики на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».
Практическая значимость работы:
- усовершенствована конструкция прибора, позволяющая проводить каротаж скважин диаметром от 40 до 170 мм с контролируемым перемещением прибора относительно продольной и вертикальной осей скважины;
- разработана конструкция наблюдательной станции для прогнозной и оперативной оценки напряженного состояния краевой части рудного массива;
- разработаны технологические параметры выемки защитного слоя и бурения разгрузочных скважин, для формирования защищенных зон при ведении горных работ на удароопасных участках рудных залежей.
Личный вклад автора заключается: в постановке цели, задач и разработке методики исследований; в личном участии в организации и проведении экспериментальных работ на рудниках «Октябрьский», «Таймырский» и «Скалистый»; в исследованиях прочности образцов руд и пород в лабораторных условиях, в анализе результатов наблюдений, выводе основных научных результатов, составлении и внедрении методики оценки напряженного состояния краевой части рудного массива.
Реализация работы. Созданная методика оценки напряженного состояния краевой части рудного массива используется: проектными организациями «Институт Норильскпроект» и «ООО Институт «Гипроникель» при разработке регламентов отработки удароопасных участков рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений; рудниками ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» при оперативной и прогнозной оценке напряженного состояния рудного массива, разработке паспортов крепления горных выработок и профилактических мероприятий по приведению краевой части рудного массива в неудароопасное состояние.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались: на международной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук» (Новосибирск, 2004 г.), на горной секции Горно-геологического управления ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» (г. Норильск, 2005-2008 гг.), на секции Ученого совета по геомеханике ОАО ВНИМИ (Санкт -Петербург, 2005-2007 гг.), на научно-техническом совете Научного центра геомеханики и проблем горного производства Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В. Плеханова (технического университета), (Санкт-Петербург, 2008-2009 гг.).
Публикации: Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 научных трудах, из них 2 - в рекомендованных ВАК РФ изданиях.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 112 страниц машинописного текста, 37 рисунков, список литературы из 90 наименований и одно приложение.
Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д.т.н. Шабарову А.Н. и к.т.н. Звездкину В.А. за внимание и ценные советы при подготовке и написании диссертационной работы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В главе 1 приведены горно-геологические и горнотехнические условий отработки рудных залежей Норильского промрайона, выполнен анализ существующих методов оценки напряженного состояния массива горных пород. Сформулированы цель и задачи исследований.
В главе 2 разработана методика исследований прочностных свойств и напряженно-деформированного состояния краевой части рудного массива.
В главе 3 приведены результаты исследований и закономерности изменения прочности и напряженно-деформированного состояния краевой части рудного массива в зоне и вне зоны влияния горных работ.
В главе 4 выполнено геомеханическое обоснование методики оценки напряженности краевой части рудного массива. Приведена методология текущей прогнозной и оперативной оценки напряженности краевой части рудного массива, попадающей в зону влияния горных работ.
В заключение приведены основные научные и практические результаты диссертации.
В приложении приведены технико-экономические показатели внедрения методики на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель»
Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:
1. При отработке рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений зональная дезинтеграция краевой части массива сопровождается образованием участков пород, отличающихся прочностными свойствами и уровнем напряжений, причем изменения прочности (повышение и снижение на разных участках) в зоне влияния одиночной выработки достигают 15 %, а в зоне влияния очистных работ – 30 %.
Для оценки напряженно-деформированного состояния краевой части рудного массива были проведены лабораторные и натурные исследования. В лабораторных условиях проводились исследования физико-механических свойств образцов, отобранных из краевой части рудного массива, в шахтных - методами глубинных реперов, дискования керна и разрушения стенок скважины изучались процессы деформирования и формирования напряженного состояния краевой части рудного массива.
Продолжительность наблюдений, сутки
Рисунок 1 - Характер деформирования краевой части рудного массива при развитии очистных работ
Лабораторные исследования показали близость деформирования краевой части рудного массива к деформированию образцов трещиноватых горных пород. При нагружении образцов четко проявляются три стадии деформирования. На первой стадии, при возрастании напряжений до 15 МПа (при прочности 90-120 МПа) в образцах происходит закрытие микро- и макротрещин, наведенных в руде в процессе генезиса рудной интрузии, с примерно постоянным соотношением продольных и поперечных деформаций. На второй стадии, при возрастании напряжений более 15 МПа, поперечные деформации увеличиваются с большей скоростью, чем продольные, в образцах начинается процесс образования новых систем микро- и макротрещин. При дальнейшем нагружении образцов начинается процесс ветвления и слияния природных и новых микро- и макротрещин. На третьей стадии нагружения (при напряжениях 80-90 МПа), образцы, ослабленные вновь образованными системами трещин, приходят в предельное состояние и разрушаются.
В ходе длительных шахтных исследований было установлено, что такой механизм деформирования характерен и для краевой части рудного массива (рис. 1).
При этом в натурных условиях возрастание напряжений в ходе деформирования вызывается приближением зоны влияния очистных работ и влиянием опорного давления.
В
1
начале наблюдений вне зоны влияния очистных работ в деформировании рудного массива преобладающую роль на глубинах 900-1000м выполняют продольные деформации.
За счет продольных деформаций происходит закрытие природных трещин. При этом в системах вертикальных или крутых трещин закрытие отдельных трещин может происходить со сдвигом или поворотом блоков относительно друг друга. Процесс уплотнения массива (на графике область 1) растянут во времени и протекает с приблизительно постоянной скоростью деформирования, составляющей в среднем 410-3 мм/сутки. В зоне влияния горных работ (примерно 30-40 м от фронта очистных работ) краевая часть рудного массива переходит во вторую стадию деформирования (на графике область 2). На данной стадии рудный массив деформируются со скоростью порядка до 20-2510-3 мм/сутки, которая в пять и более раз превышает скорость деформирования пород на предшествующей стадии уплотнения. В уплотненном массиве за счет быстрого роста поперечных деформаций и деформаций растяжения происходит образование новых систем микро- и макротрещин. В зоне максимального действия зоны опорного давления (примерно 10-20 м от фронта очистных работ), где напряжения превышают предел прочности ослабленного новыми системами микро- и макротрещин массива, в нем начинается процесс ветвления и слияния микро- и макротрещин с образованием трещин более крупного порядка (на графике область 3). На этой стадии процесс деформирования характеризуется циклическими изменениями скорости деформирования и резким возрастанием абсолютных величин деформаций рудного массива.
Таким образом, структурная однородность и трещиноватость определяет нелинейный характер связи между напряжениями и деформациями в краевой части рудного массива.
Шахтными исследованиями с применением полевого пробника БУ-39, конструкции ВНИМИ, было установлено, что прочность руды на одноосное сжатие изменяется в зависимости от расстояния от обнажения. При этом участки краевой части рудного массива с различной прочностью руды прослеживаются, как в зоне влияния одиночной выработки, так и в зоне влияния очистных работ.
П
l/b
оявление в зоне влияния выработки участков рудного массива с различными значениями прочности руды объясняется тем, что выработки на рудниках проводятся в достаточно напряженном рудном массиве (глубина проходки выработок 900 и более метров). Выработки проходятся буровзрывным способом, который вызывает появление в рудном массиве систем техногенных трещин, а сам процесс проходки выработок сопровождается перераспределением напряжений вокруг выработки. В краевой части рудного массива, попадающей в зону влияния выработки, протяженность которой равна примерно 0,2 максимального размера выработки (ширины или высоты в зависимости от формы выработки), изменения прочности руды невелики. Снижение прочности за счет роста трещиноватости и реализации нестесненных деформаций компенсирует увеличение прочности, обусловленное закрытием трещин под действием опорного давления. По нашим исследованиям область максимального действия влияния одиночной выработки распространяется в краевой части рудного массива на расстояние, примерно равное 0,5-0,7 максимального размера выработки. За этой областью отмечается тенденция возрастания и стабилизации прочности руды.
В
l/b
зоне влияния очистных работ также меняется характер распределения прочности руды по глубине краевой части рудного массива. Как и в зоне влияния выработки в краевой части рудного массива имеется участок с примерно постоянным значением прочности руды, его протяженность составляет приблизительно 0,2 максимального размера выработки. Появление зоны с примерно постоянным значением прочности руды объясняется также, как и для выработок, взаимной компенсацией снижения прочности за счет трещинообразования и роста прочности за счет сжатия природных и наведенных трещин. Далее располагаются участки, характеризующиеся цикличным изменением (снижением или возрастанием) прочности руды. Такой характер изменения прочности руды, очевидно, связан с различной степенью нарушенности рудного массива, определяющей жесткость, а, следовательно, и несущую способность участков рудного массива. Участки с пониженной жесткостью (более трещиноватые) способны за счет податливости уходить от действия повышенных напряжений без существенных изменений прочности руды. Более жесткие участки рудного массива способны концентрировать напряжения и деформируются с наведением в руде техногенных систем макро- и микротрещин, которые снижают прочность руды. Шаг формирования таких участков по глубине краевой части рудного массива составляет от 20 до 40-50 % максимального размера выработки.
Т
b –максимальный размер выработки
1, 2 - изменения прочности руды, соответственно, в зоне влияния горной выработки и очистных работ
Рисунок 2 - Вариации прочности руды по глубине (l) краевой части рудного массива
аким образом, анализ изменений прочности руды по глубине краевой части рудного массива (рис. 2) показал, что при ведении горных работ в рудном массиве могут появляться участки, как с пониженной, так и с повышенной прочностью руды.
Проведенные измерения дают основания утверждать, что в результате ведения горных работ краевая часть рудного массива трансформируется в неоднородную структуру с изменениями прочности руды, достигающими 15 процентов в зоне влияния одиночной выработки, и 30 % – в зоне влияния очистных работ.
2. Дискование керна и разрушение стенок скважины представляют собой две тесно связанные между собой формы реакции массива на действие повышенных напряжений, при этом существует значимая и надежная корреляция (R>0,95) между оценками максимальных напряжений, полученных на основе этих двух явлений.
Обширные натурные исследования (более 500 измерений каждого параметра) показали, что дискование керна, выбуриваемого из напряженного массива, и разрушение стенок скважин являются, по сути, проявлениями одного и того же геомеханического процесса. Оба явления объясняются действием в массиве повышенных напряжений, превышающих предел прочности руды. Опыты продемонстрировали, что между процессами дискования керна и разрушения стенок керновой скважины существует тесная связь. Во-первых, протяженность зоны интенсивного деления керна и разрушения стенок скважины (рис. 3) характеризуются, в среднем, очень близкими величинами. Протяженность дискования керна в среднем составляла 24,8 см, а протяженность участка наиболее интенсивного разрушения стенок скважины – 29,4 см. Во-вторых, не менее тесная связь просматривается и по расположению зон дискования и интенсивного разрушения стенок скважины. Среднее расстояние центра зоны дискования керна от стенки выработки составляет 2,7 м, а среднее расстояние до центра зоны разрушения - 3,2 м.
Анализ гистограмм распределения случайных величин показал, что экспериментальное распределение характеристик зоны дискования керна обладает явно выраженной асимметрией и удовлетворительно описывается логнормальным распределением. Такой закон распределения случайных величин свидетельствует о мультипликативном характере влияния технологических факторов (скорость вращения, усилие подачи бурового инструмента на забой скважины и т.д.) на дискование керна. Э
Рисунок 3 - Гистограммы распределения протяженности зон дискования керна (lд) и разрушения стенок скважин (lр).
кспериментальное распределение параметров разрушения стенок скважины приближается к нормальному закону, что свидетельствует об аддитивном характере влияния на него перечисленных технологических факторов и достаточно тесном группировании параметров относительно среднего значения. Сравнительный анализ экспериментальных данных по дискованию керна и разрушению стенок скважины показал не только близость средних значений, но и примерное равенство дисперсий по критерию Фишера при уровне надежности р=0,05 и значительных объемах выборок (более 500).
Таким образом, несмотря на некоторые отличия в характере распределений, оба этих процесса очень близки между собой и являются двумя тесно связанными формами реакции массива на действие повышенных напряжений.
Исследованиями было установлено, что в краевой части рудного массива, затронутого горными работами, формируются участки до и запредельного деформирования рудной структуры. Напряженное состояние вблизи обнажения изменяется от одноосного до объемного (рис. 4). В непосредственной близости от обнажения краевая часть рудного массива находится состоянии, близком к одноосному (зона 1). В этой зоне очень малы силы бокового распора, а само главное нормальное напряжение σ1 не превышает предела прочности руды. Далее выделяются участки краевой части рудного массива, чье напряженное состояние приближается к плоскому (зона 2). В этой зоне напряжения могут превышать предел прочности руды, и в массиве могут появляться деформации, как упругого восстановления, так и деформации неупругого характера. За этой зоной рудный массив деформируется практически без потери сплошности, что характерно для объемного напряженного состояния (зона 3).
1, 2, 3 - зоны одноосного, плоского и объемного напряженного состояния рудного массива
Рисунок 4 - Напряженное состояние рудного массива, затронутого горными работами
Выше приведенные характеристики напряженно-деформированного состояния краевой части рудного массива подтверждается характером деформирования стенок скважины. Стенки скважины, попадающие в зону 1, испытывают малые деформации, диаметр скважины остается практически постоянным (изменения ≤1%). В зоне 2 вследствие действия повышенных напряжений происходит формирование области неупругих деформаций с последующим разрушением стенок скважины. В зоне 3 стенки скважины испытывают упругое деформирование без потери сплошности пород или видимые деформации практически отсутствуют.
Таким образом, в краевой части рудного массива, затронутого горными работами, проявляются все виды напряженного состояния, а состояние стенок скважины отражает ее напряженно-деформационное состояние.
Шахтными исследованиям было установлено, что при бурении скважин в краевой части массива, попадающей в зону влияния горных работ, разрушение пород на контуре скважин происходит в основном за счет действия вертикальной составляющей тензора напряжений. Вертикальные напряжения σ1 почти в два раза превышают напряжения σ2 и σ3 бокового распора
Как показало бурение скважин, в краевой части рудного массива образуются зоны, в которых проявляются, как упругие, так и неупругие деформации, вызванные совместным действием гравитационных сил и опорного давления. Напряжения, вызванные гравитационными силами, не превышают прочность руды и приводят к уменьшению диаметра буримой скважины за счет реализации упругих деформаций. Напряжения от опорного давления, как правило, могут приводить к появлению неупругих деформаций и разрушению стенок скважины.
Исследованиями была установлена линейная зависимость между радиусом неупругих деформаций (разрушение стенок), диаметром скважины, прочностью руды и напряженным состоянием краевой части рудного массива. Связь между этими параметрами имеет коэффициент корреляции 0,95 и выражается уравнением вида
(1)
где dскв – диаметр буримой скважины, R2 – радиус неупругих деформаций, σ – напряжение в рудном массиве, = kв – предел прочности руды на одноосное сжатие в области измерений (разрушения стенок скважины), kв- коэффициент изменения прочности руды в зоне влияния горных работ.
3. Данные об изменениях радиусов скважин, пробуренных в краевую часть рудного массива в вертикальной и горизонтальной плоскостях, являются основой эффективной методики оперативной оценки и текущего прогноза параметров техногенных зон повышенных напряжений при развитии очистных работ.
Согласно полученным выше закономерностям процесса деформирования приконтурного массива скважины, расчетная величина напряжений в краевой части рудного массива должна определяется с учетом начального поля напряжений нетронутого массива, а также с учетом изменения прочности рудного тела по глубине краевой части рудного массива.
Влияние начального поля напряжений проявляется в уменьшении диаметра буримой скважины за счет реализации упругих деформаций при механическом извлечении горной породы, а изменение прочности руды, связанное с образованием в рудном массиве природных и техногенных трещин, учитывается с помощью полученных максимальных величин вариации прочности руды на одноосное сжатие в зоне опорного давления.
С
учетом этого, расчетная величина напряжений в каждой точке краевой части рудного массива, после преобразования формулы (1), определяется по формуле
(2)
где: – среднее значение предела прочности руды на одноосное сжатие, МПа, kв – коэффициент изменения прочности руды в краевой части рудного массива. В зоне влияния выработки значение kв составляет 1,15, а в зоне влияния очистных работ – 1,3, dскв – диаметр буримой скважины, dизм – измеренный диаметр скважины. kу – коэффициент, учитывающий упругое деформирование приконтурного массива скважины (для рассматриваемых условий его значение составляет 1,01).
Для оперативной и текущей оценки напряженного состояния краевой части рудного массива предлагается методика, основанная на измерении диаметров пробуренных скважин, которая творчески развивает и распространяет на условия Октябрьского и Талнахского месторождений разработки ГИ КНЦ РАН по определению категории удароопасности прочных руд и пород.
Оперативная оценка параметров техногенных напряжений в краевой части рудного массива производится бурением скважины с последующим инструментальным измерением топографии стенок скважины. Для текущей оценки оборудуются замерные станции, представляющие собой скважины, пробуренные вне зоны влияния очистных работ в краевую часть рудного массива в вертикальной и горизонтальной плоскости. По замерным станциям по мере подвигания фронта очистных работ проводится измерение топографии стенок скважины и определение уровня напряжений по глубине краевой части рудного массива.
Для получения точных значений диаметра скважины был усовершенствован и широко апробирован специальный прибор ИДС-1, исходным прототипом которого послужил «КОРАС», разработанный в ГИ КНЦ РАН. Глубина скважины при этом должна превышать максимальный размер выработки.
Полученные по формуле (2) значения напряжений в исследуемых точках краевой части рудного массива проверяются по фактору безопасности неравенством вида σmax ≤ 0,7 σсж, где σсж – предел прочности руды на одноосное сжатие.
Р
2
азработанная методика в сопоставлении с базовым методом дискования керна прошла опытно-промышленные испытания на 10 участках рудных залежей, отрабатываемых рудниками «Октябрьский», «Таймырский» и «Скалистый» ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель». Результаты испытаний показали удовлетворительную сходимость расчетных параметров величины напряжения по предлагаемой и базовой методикам. Экономический эффект от внедрения методики на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» составил 15 млн. рублей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится новое решение задачи, связанной с оценкой напряженного состояния краевой части рудного массива, имеющей существенное значение при разработке рудных месторождений, отнесенных к склонным и опасным по горным ударам.
Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:
1. Определено, что, что в зонах влияния очистных и подготовительных выработок вследствие зонального распределения концентрации напряжений прочность пород дифференцирована в функции удаления от обнажения с шагом, составляющим 0,2 - 0,5 максимального размера выработки. При отработке рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений в краевой части рудного массива изменения прочности руды (повышение и снижение на различных участках) в зоне влияния выработки достигают 15 процентов, а в зоне влияния очистных работ – 30 процентов.
2. Доказано, что между радиусом неупругого деформирования приконтурного массива скважины, прочностью руды и напряженным состоянием краевой части рудного массива существует корреляционная связь, выражающаяся уравнением вида , где dскв – диаметр буримой скважины, R2 – радиус неупругих деформаций, σ – напряжение в рудном массиве, σсж – предел прочности руды на одноосное сжатие;
3. Разработана и научно обоснована методика оценки напряженного состояния краевой части рудного массива, которая вошла составной частью в «Указания по безопасному ведению горных работ на Талнахском и Октябрьском месторождениях, склонных и опасных по горным ударам, Норильск, 2007 г.;.
4. Экономический эффект от внедрения методики на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» составил 15 млн. рублей.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ :
1. Прогноз и обеспечение устойчивости горных выработок на рудниках ГМК «Норильский никель». / В.А. Смирнов, В.А. Звездкин, А.Н. Шабаров, Б.Н. Самородов, В.П. Марысюк // Горный журнал, 2004, № 12, - с. 44-48.
2. Моделирование напряженно-деформированного состояния массива в окрестности горных выработок рудника «Скалистый» / А.Г. Оловянный, В.А. Смирнов, Б.Н. Самородов, В.П. Марысюк //Сборник трудов международной конференции ИГД СО РАН, 2004, - с. 159-164.
3. Звездкин В.А., Бабкин Е.А., Марысюк В.П. Особенности деформирования горного массива рудников Октябрьского и Талнахского месторождений. // Горный журнал, 2004, № 12, - с. 52-54.
4. Аршавский В.В., Марысюк В.П. Особенности напряженно-деформиронного состояния горного массива, вмещающего горные выработки глубоких рудников Талнаха. // Сборник научных докладов Норильского индустриального института, 2005, - с. 21-24.
5. Марысюк В.П. Оценка напряженно-деформированного состояния рудного массива на глубоких рудниках Талнаха. Горный журнал, 2005, № 3, - с. 16-18.
6. Марысюк В.П., Богайчук А.В. Быстротвердеющий полимерный состав для формирования вертикального разделяющего ограждения между рудным и закладочным массивами. Авторское свидетельство № 1802169 (СССР), 1992.
7. Указания по безопасному ведению горных работ на Талнахском и Октябрьском месторождениях, склонных и опасных по горным ударам. Норильск, 2007, - с. 75-76.