автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка технологии упрочнения неустойчивых горных пород при подземной добыче руд

> 0 0 . /с о о. . л

V V

/ / г

Министерство общего и профессионального образования РФ Московский государственный горный университет

На правах рукописи

Калинин Александр Ростиславович

УДК 622.284/289:678.6/7(047)

Разработка технологии зирочнения неустойчивых горных пород при подземной

добыче руд

Специальность 0:5.15.С2. - «Подземная разработка месторождений полезных

ископаемых»

Диссертация

н;-:. соискание ученой степени кандидата технических, наук

Научный руководитель: д. т. н., проф. Е. В. Кузьмин

Москва, 1998 год

Содержание

Введение^_______________________________________________________4

Глава 1 Обзор и анализ научных исследований устойчивости трещиноватых массивов и способов ее повышения____________________________9

1.1 Анализ устойчивости трещиноватых массивов и способов ее повышения____________________________________________________9

1.2 Обзор опыта применения торкретирования неустойчивых горных пород_________________________:__________________________23

1.3 Существующие и перспективные методы инъекционного упрочнения массива горных пород______________________________________40

1.4 Цель, задачи: и методы исследования__________________________________52

Глава___2 Исследование и определение рационмальных параметров

инъе.щионного упрочнения с предварительным торкретированием

подземных гарных выработок_______________________________________55

2.1. Обоснование эффективности использования метода математического моделирования и определение для него расчетной

схемы и исходных данных_________________________________________55

2.2 Исследование расчетных схем создания грузонесущей и изолирующе и оболочки методе^/: предварительно го торкретиров ант______________________________________________67

2.3. Обоснование рационального режима движения и нагнетания скрепляюш кге составов____________________________________________77

2.4. Определение зоны разрушения горных пород и расчет необходимой области распространения инъекционных материалов________________________89

2.5. Определение рациональных параметров инъекционного нагнетания

с предварительным торкретированием_____________________96

Выводы по главе 2____________________106

Глава__3 Разработка технологии предварительного торкретирования и

нагнетания упрочняющих составов __________________107

3.1. Основные положения и условия применения упрочнения пород с предварительным торкретированием_________________107

3.2. Параметры технологии инъекционного упрочнения с

предварительным торкретированием неустойчивых горных пород__111

3 .3. Варианты и особенности комбинированной технологии повышения устойчивости горных выработок________________125

Выводы по главе 3_____________________________133

Глава___4 Технико-экономический анализ эффективности инъекционного

упрочнения с предварительным торкретированием трещиноватого массива при подземной добыче руд____________________ 134

4.1. Выбор методики расчета экономической эффективности комби н яро ванного способа повышения устойчивости горных выработок______________________________________134

4.2. Оптимизация технологических и экономических параметров комбинированного способа крепления выработок_______ _____139

4.3. Определение экономической эффективности метода инъекционного упрочнения с предварительным торкретированием выработок____146

Выводы по главе 4_________________151

Заключение__________________________________________________152

Литературе._____________________________________________154

Приложения

167

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Разработка месторождений полезных ископаемы* характеризуется в настоящее время интенсификацией горных работ как проходческих, так и эксплуатационных, увеличением глубины разработки месторождений, повышением сложности горно-геологических условий, являющихся причиной возникновения в массиве запредельных напряжений в зоне ведения очистных и подготовительных работ, растрескивания обнажающихся горных пород, потери их устойчивости и обрушения. Эти факторы затрудняют использование более эффективных, экономически выгодных систем разработки месторождений, применение мощной техники и новейших технологий.

Для большинства крупных предприятий горно-добывающей промышленности - Жезказганского, Норильского, Миргалимсайсзсого ГМК, Ачи-сайского, Ленииогорского, Иртышского ПМК, СУБРа, Абаканского РУ и других - эти проблемы являются весьма актуальными. Схожая ситуация имеется и на рудниках США, Канады, Германии, ЮАР и других горно-добывающих стран.

В этой связи вопрос поиска эффективного способа повышения прочности массива горных пород, обеспечения устойчивости горных выработок и безопасности ведения подземных горных работ приобретав!' наибольшую актуальность.

Учитывая складывающиеся на рудных месторождениях условия, тенденцию стказ& многих предприятий отрасли от традиционных способов крепления горных выработок, становящихся все более дорогими., трудоемкими и малоэффективными, особенно в условиях неустойчивых горных пород, а

также исходя из известных основных технических, технологических и экономических требований к крепи наиболее перспективным является применение комбинации двух или нескольких способов воздействия на массив неустойчивых горных пород активными видами крепи.

Мировая практика разработки рудных месторождений в условиях неустойчивых горных пород показывает, что трещиноватость массива наиболее неблагоприятно проявляет себя в приконтурной зоне горной выработки и особенно в призабойном пространстве. Следовательно, временная крепь должна быть изолирующей и поддерживающей, а постоянная - максимально грузонесущей, статически и динамически устойчивой. Этими функциями наиболее полно обладает инъекционное упрочнение с предварительным торкретированием. Поэтому исследование его рационального применения в условиях неустойчивых горных пород является актуальным.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является установление зависимостей рациональных параметров инъекционного упрочнения от характеристик и свойств скрепляющего раствора., трещиноватого массива и предварительного торкретирования дли разработки технологии комбинированного крепления, обеспечивающей максимальную безопасность и высокую производительность при подземной добыче руд в условиях неустойчивых горных пород.

ИДЕ.Л РАБОТЫ заключается в применении рационального сочетания инъекционного упрочнения неустойчивых трещиноватых горных пород с предварительным торкретированием обнаженных поверхностей горных выработок.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. РАЗРАБОТАННЫЕ АВТОРОМ. И ИХ НОВИЗНА:

-математическая модель для расчета радиуса распространения упрочняющего состава, отличающаяся учетом изменяющейся во времени вязкости, а следовательно, и скорости течения состава, позволяющая более точно определить давление и темп нагнетания состава для разработки технологических схем упрочнения трещиноватого массива;

•математическая: модель расчета необходимой толщины упрочняемой зоны неустойчивых горных пород в приконтурной области очистных и подготовительных выработок, отличающаяся учетом изолирующего и грузонесущего влияния торкретбетонной оболочки, для определения параметров технологии инъекционного упрочнения с предварительным торкретиро ва нием;

■•применение предварительной торкретбетонной оболочки позволяет обработать массга; неустойчивых горных пород увеличенным (до 30 %) давлением инъекции, что приводит к увеличению степени его монолитности и устойчивости;

-зависимости темпа, давления нагнетания, радиусов фильтрации и зоны упрочнения от толщины предварительной торкретбетонной оболочки, позволяющие выбирать рациональные параметры упрочнения выработок з неустойчивых породах.

ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ___НАУЧНЫХ

ПОЛОЖЕН!! ЙУВЫ В ОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ подтверждаются большим объемом и комплексностью аналитических исследований с применением различных методов обработки данных с помощью математической статистики, анализа размерностей:, регрессионного анализа, математического

моделирован ия и экспертной оценки, сходимостью результатов моделирования

с ранее полученными в процессе производственных испытаний ( расхождение 10 - 15 % ).

НАУЧНОЕ___ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается в установлении

зависимостей темпа, давления нагнетания, радиусов фильтрации и зоны упрочнения от толщш-ы предварительной торкретбетонной оболочки и свойств скрепляющего раствора, для обоснования параметров технологии комбинированного способа повышения устойчивости сильно трещиноватого горного массива.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается в разработке методики расчета рациональных параметров технологии инъекционного упрочнения с предварительным торкретированием неустойчивых горных пород для улучпения технико-экономических показателей подземной разработки рудных месторождек ий.

РЕАЛИЗАЦИЯ ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ. Полученные результаты по выбору рациональных параметров инъекционного упрочнения с предварительным торкретированием в качестве рекомендаций приняты в ИГДС РАН и внедрены на. Жезказганском месторождении.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основное содержание работы и ее отдельные положения докладывались и получили одобрение на научных семинарах кафедры технологии и комплексной механизации подземной разработки рудных месторождений Московского государственного горного университета 1996-3998 гг, на конференциях, посвященных Неделе горняка и Международных симпозиумах 1996-1998 гг.

НУБ. ПИК АН ИИ. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 рг.бот.

ObbBjVLilABOlbl. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, включает и себя 2 приложения, 20 таблиц, 25 рисунков, список литературы содержит 127 наименований.

ГЛАВА 1. Обзор и анализ научных исследований устойчивости трещиноватых

массивов и способов ее повышения.

1.1. Анализ устойчивости трещиноватых массивов и способов ее повышения.

Мировая практика подземной разработки рудных месторождений показывает, что основными особенностями современного состояния и уровня развития большинства этих месторождений являются интенсификация горных работ, как проходческих, так и эксплуатационных, вынужденное увеличение глубины разработки, вовлечение в отработку залежей со сложными горногеологическими и горно-механическими условиями, способствующими возникновению в горном массиве запредельных напряжений и опасных динамических проявлений горного давления, растрескиванию обнажающихся горных пород и обрушению в зонах ведения очистных и подготовительных работ. Это приводит к понижению уровня безопасности отработки месторождений, в частности, к потере устойчивости всех видов подземных горных выработок, что ставит под сомнение принципиальную возможность применения эффективных, экономически выгодных систем разработки, мощной производительной техники и новейших технологий.

Технологическая ситуация на подземных рудниках черной и цветной металлургии стран СНГ' складывается следующим образом: уровень глубины ведения горных работ на шахтах Крквбасса, Абаканского, Таштагольского, Шерегешского месторождений, Жезказганского и Норильского ГМК, Ачисайскопх Ленин огорского, Иртышского ПК, СУБРа, АО «АЛРОСА» и

других находится в диапазоне 700-1400 метров; значение суммарных горизонтальных и вертикальных напряжений достигает 100-120 МПа (рис. 1.1); обнаруживается >;вная тенденция к увеличению частоты горных ударов и других динамических проявлений горного давления; наблюдается снижение безопасности ведения горных работ, устойчивости пород в кровле и боках выработок, темпа отработки очистных блоков и производительности оборудовании на доставке и транспорте / 1, 3, 4, 5, 10, 14, 17, 18, 19, 29, 43, 48, 55, 57, 59, 65, 67, 73, 75, 82, 84, 88, 90, 96, 102, 103, 109/.

Аналогичная картина складывается и на рудниках Канады (Каминко, Крейгмонт, 2>ндгко, Хоумстайк), США (Стар, Норанда, Дулус), ЮАР (Блейворуйтзихт, Вестерн, Дееп Левелз), где имеются рабочие горизонты на глубинах от 1000 до 3500 метров. Всего в мире насчитывается более 50 рудников., имеющих глубину разработки более 1500 метров /' 3, 4, 18, 19, 29, 35, 53, 67, 73.. 80, 116, 118, 119, 122- 127/.

Учитывая складывающиеся условия, предприятия, отрабатывающие месторождения подземным способом, оказались в сложных обстоятельствах, которые, с одной стороны характеризуются снижением устойчивости горных, пород и урозня безопасности ведения работ, а с другой - необходимостью широкого внедрения новой техники с большой единичной мощностью, новейших технологий отработки месторождений и увеличения выпуска экономически выгодной конечной продукции.

Экспериментальным и аналитическим исследованиям по изучению устойчивост!: горных пород и подземных горных выработок посвящены работы Ш. М. Айталиева, С. Г'. Авершина, И. В. Баклашова, Н. С. Булычева, Ж. С.

^ ^ ^ ^ ^ „г^

Глубина, м

-е- Абаканское РУ -Абаканское РУ -

ШАпагашл1ГАа ОХ/

горизонтальные

^е рти кал ь и о©

горизонтальные

-*- Таштагольское РУ вертикальное

Рис. 1.1. Зависимость величин сумм горизонтальных и вертикальных напряжений от глубины разработки

месторождений

Ержанова, Б. А. Картозия, Н. Н. Фотиевой и других авторов / 1, 6, 2.1, 22, 38, 41, 42, 57, 61, 67, 75, 82, 85, 88, 90, 93, 95, 96, 102, 111,120/.

В зтих работах приводятся различные определения понятия «устойчивость». Этот термин понимается, как «...способность массива сохранять равновесие, заданное условиями нормальной эксплуатации» / 8 /, или: «устойчивость горной выработки означает, что в процессе смещения контура выработка сохраняет в течение заданного промежутка времени необходимые размеры и форму поперечного сечения в соответствии с требованиями Правил технической эксплуатации и техники безопасности» / 19 /, либо: «устойчивым считается такое состояние системы, в котором приращение работы внешних сил не превышает приращения внутренней энергии при неизменных внешних условиях» / 95 /.

Различие в определениях подразумевает и различные критерии и методики оценки устойчивости массива, вмещающего горные выработки. В последнее время проЕодатся обширные исследования, направленные на разработку универсальных классификаций породных массивов по инженерно-техническому состоянию (качеству), основанные на комплексной оценке большого числа влияющих факторов. Примерами таких классификаций могут служить классификации В. А. Гиленко, Н. С. Булычева, Т. X. Кундуроса, 3. Т. Бенявского / 5, 18, 15, 21, 22 /.

В отличие от классификаций и методик, применяемые традиционно и основанных только на прочностных или деформационных показателях свойств массивов горных пород, предложенные классификации за счет дифференцированного подхода к сумме большого числа факторов позволяют существенно повысить надежность определения и прогнозирования

устойчивости горного массива, а, следовательно, и надежность проектных решений. Наиболее оптимальные зарубежная (3. Т. Бенявского) и отечественная (Н. С. Булычева) классификации приведены в табл. 1.1 и 1.2 соответственно.

Из приведенных методик следует, что устойчивость пород определяется их прочностью, пластичностью, ползучестью, а также структурно-механическими особенностями. На степень устойчивости скальных трещиноватых пород влияют следующие основные факторы: крепость пород:, степень нарушенное™ массива пород трещинами; характер блочности; раскрытие трещин; обводненность и загазованность пород: ориентировка трещин относительно выработки; геометрические характеристики выработки ! 57, 59, 67, 71, 72, 73 /.

Очевидно, что решающим фактором, определяющим устойчивость массива, особенно крепких горных пород, является его трещиноватость. Возникновение и развитие трещиноватости имеет несколько источников. К ним относятся геомехани ческие процессы, способ проведения выработки, ведение очистной выемки (взрывные работы и истирание потоком руды при выпуске) и Др.

Геомеханические процессы, непрерывно протекающие в земной коре и проявляющиеся при накоплении больших напряжений, присущи всем месторождениям, но в различной степени. В странах СНГ к зонам с наиболее активными геомеханическими процессами относятся Урал, Кольский полуостров, Кавказ, Горная Шория и др./ 5, 7, 10, 16, ~А\, 27, 34, 42, 66, 90, 102, 109, 115 /. В тектонически-активных районах главные компоненты напряжений часто расположены не вертикально и по величине часто отличны от гидростатического давления уН. Со временем вокруг выработки образуются три

зоны, имеющие различное физико-механическое состояние: зона интенсивной трещиноватости, зона микротрещиноватости и зона нетронутого массива / 1, 93, 100/.

Способ проведения выработки также существенно влияет на устойчивость массива. Комбайновый метод проходки, в отличие от буровзрывного, позволяет выдерживать проектное сечение выработки, создавать гладкую поверхность и максимально снизить возникновение технологических и раскрытие природных трещин. Однако область применения комбайнового способа ограничивается рудами и породами невысокой крепости (до 4-5 по Протодьяконову).

Существенные недостатки буровзрывного способа - неблагоприятное воздействие взрыва на приконтурный массив, снижение устойчи