автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Геомеханическое обоснование оптимальных технологических схем двухъярусной отработки бокситовых месторождений

Ст. С: О'

На правах рукописи

Л

СЕЛИВОНИК Владимир Григорьевич

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ДВУХЪЯРУСНОЙ ОТРАБОТКИ БОКСИТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальности. 05.15.11 — Физические

процессы горного производства 05.15.02 — Подземная разработка

месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С.-Петербург 1998

Работа выполнена в ОАО "Севуралбокситруда".

Научный руководитель — кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Шаба ров Аркадий Николаевич

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор

Бич Яков Адамович,

кандидат технических наук, доцент

Милехин Георгий Георгиевич

Ведущее предприятие — АО институт "Унипромедь"

Защита диссертации состоится 1998 года

в 10 часов на заседании диссертационного Совета Д. 135.06.01 в "Государственном научно-исследовательском институте горной геомеханики и маркшейдерского дела — Межотраслевом научном центре ВНИМИ" по адресу: 199026, г. Санкт-Петербург, Средний пр., 82, зал заседания Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " Л ?'" г.

Исх. № ^ '

Ученый секретарь диссертационного Совета, докт. техн. наук, профессор

В. М. Шик

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.

Шахты Североуральского бокситового района, основного поставщика высококачественного сырья для алюминиевого комплекса, являются наиболее ударо-опасными среди других рудников России.

По состоянию на 1 января 1998 года на шахтах СУБРа произошло 319 горных ударов различной интенсивности, сейсмическая энергия самых сильных из них достигла 108 Дж. Ежегодно сейсмостанция "Североуральск" регистрирует более 1000 сейсмических явлений.

На протяжении последних 25 лет многочисленными научными учреждениями проводится поиск средств и методов предупреждения горных ударов с учетом многообразия горно-геологических и горнотехнических факторов. Развитие теории, способов и средств управления напряженно-дефор-мированным состоянием массива горных пород при отработке Североуральских бокситовых месторождений в последние годы реализовывалось в рамках "Координационного плана научно-исследовательских, проектно-конструктор-ских и горноэкспериментальных работ по развитию теории, разработке и освоению комплекса мер по безопасной и эффективной эксплуатации рудных, нерудных месторождений и других объектов недр, склонных к горным ударам, 1992— 1996 гг.", утвержденного Госгортехнадзором РФ 10 октября 1991 года и межотраслевой программы "Геодинамическая безопасность", утвержденной Госгортехнадзором России 14 октября 1996 года.

Все работы по проблеме горных ударов проводятся под методическим руководством института ВНИМИ. В результате выполненных научно-исследовательских, проектно-конструкторских и горно-экспериментальных работ созданы методы регионального и локального прогнозирования удароопасности горных пород и разнопрофильная аппаратура для его осуществления. Впервые в горнорудной практике сейсмическим методом выделяются области шахтных полей опасные по возможному проявлению горных ударов, разработаны способы нейтрализации выделенных опасных очагов. Разработаны и реализованы варианты технологических схем добычи боксита, повышающие безопасность ведения горных работ в удароопасных условиях.

Исследованиями удароопасности целиков и краевых частей пластов и рудных залежей, изучением условий их нагружения занимались ученые Российской Федерации и других стран СНГ: С. Г. Авершин, И. Т. Айтматов, Я. А. Бич, В. И. Борщ-Компониец, Н. П. Влох, Б. А. Вольхин, В. Б. Дьяковский, П. В. Егоров, А. В. Зубков, В. В. Зубков, В. А. Колесов, М. В. Курленя, А. М. Линьков, Е. И. Микулин, Г. Г. Милехин, Р. Б. Мухаметов, И. М. Петухов, А. А. Филинков, А. Н. Шабаров, М. А. Шадрин и др.

Известно, что основными условиями проявления удароопасности являются накопление энергии упругого сжатия горных пород при значительных пролетах

обнажения, большая глубина разработки, высокая прочность удароопасных пород и руд, геологическое строение массива горных пород.

Следует отметить, что в то же время в недостаточной степени выявлены особенности влияния природного поля напряжений на условия проявления ударо-опасности при одновременном ведении очистных работ в смежных ярусах, особенно при отработке барьерных целиков, разделяющих смежные ярусы. При этом выемка барьерных целиков осуществляется, как правило, при наличии в них геологических нарушений и при действии естественных (фоновых) напряжений, значительно превышающих уровень уН. Только с учетом влияния перечисленных факторов могут быть надежно установлены безопасные размеры разделительных барьерных целиков, разработаны эффективные способы управления удароопас-ным состоянием массива горных пород при одновременной отработке рудной залежи в смежных по падению ярусах.

Практика ведения горных работ показала, что не все месторождения Североуральского бокситового района в одинаковой степени опасны. В пределах шахтных полей выделяются участки, отработка которых возможна лишь при условии выполнения комплекса технологических и специальных мер предотвращения горных ударов. На отдельных участках применение традиционных мер оказывается неэффективным. В связи с этим необходимо: во-первых, выделить места и участки с аномально высокими концентрациями напряжений в пределах шахтных полей; во-вторых, разработать и применять эффективные мероприятия и технологические схемы ведения горных работ, позволяющие управлять удароопасным состоянием массива горных пород на таких участках.

Для решения первой задачи, своевременного выявления тектонически напряженных зон, на шахтах СУБРа широко применяется метод геодинамического районирования, разработаны прогностические признаки аномальных зон, имеются апробированные технические средства для их выделения. Одно из решений второй части задачи связано с более широким распространением технологии одновременной отработки рудной залежи в смежных по падению ярусах.

Анализ состояния вопроса позволил сформулировать цель и задачи исследований.

Цель работы. Разработать и обосновать оптимальные технологические схемы ведения очистных работ при двухъярусной отработке участков бокситовых месторождений, опасных по горным ударам, с учетом многообразия геологических, горнотехнических факторов и применяемых в смежных по падению ярусах систем разработки.

Идея работы. Использование выявленных особенностей напряженно-деформированного состояния массива горных пород на участках с развитой тектонической нарушенностью и закономерностей динамических проявлений горного давления для выбора эффективных параметров двухъярусной схемы разработки.

Задачи исследований:

— выполнить анализ блочного строения Североуральских бокситовых месторождений и выделить геологические блоки с различной степенью удароопасности;

— провести комплексную оценку удароопасности блоков по геологическим, сейсмологическим и натурным наблюдениям с учетом динамической активности разрывных нарушений, выявить закономерности распространения тектонически напряженных зон в пределах полей шахты № 14-14бис и шахты "Кальинская";

— определить направление главных напряжений и их соотношений на разных участках месторождений с использованием геомеханического, сейсмологического и тектоно-физического методов;

— выполнить анализ геологических и горно-технических факторов, определяющих условия применения двухъярусной схемы разработки и влияющих на выбор расчетной схемы определения предельных размеров барьерных целиков;

— провести опытно-промышленные испытания двухъярусной схемы с различными вариантами сочетаний систем разработок, апробировать технологические и специальные мероприятия по снижению напряжений в их конструктивных элементах.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач проведены инструментальные шахтные исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород, проанализированы проявления горного давления в динамической форме и характер сейсмической активности на границах и внутри геологических блоков, обобщен опыт ведения горных работ в зонах активных тектонических нарушений и на участках сплошного оруденения, проведен авторский контроль за ведением опытно-промышленных работ в этих блоках, выполнены теоретические исследования по выбору математического аппарата и расчетных схем по определению предельных размеров барьерных разделительных целиков.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Применение двухъярусной схемы разработки бокситовых залежей является технологической мерой предотвращения горных ударов, обеспечивающей первоочередную отработку участков рудной залежи с высокой концентрацией напряжений в условиях блочного строения массива горных пород и неравномерного природного поля напряжений и ликвидацию выступов в отработанном пространстве, образованных в результате "зависания" отдельных очистных блоков или участков залежи.

2. В условиях сложного блочного строения бокситовых месторождений и неравномерного природного поля напряжений выбор технологических схем двухъярусной разработки определяется соотношениями главных напряжений в нетронутом массиве горных пород:

— при соотношении широтной составляющей а, и вертикальной 02 менее 1,25 двухъярусная схема применяется без выполнения мер предотвращения горных ударов;

— при соотношении 1,25 < / а2 ^ 1,4 двухъярусная схема применяется при выполнении противоударных мероприятий, в том числе и при отработке барьерного целика;

— при соотношении <Т| / и2 > 1,4 отработка барьерного целика не производится.

3. Предельный размер барьерных целиков при двухъярусной отработке зависит от нескольких различных по значимости факторов. Он увеличивается в степени 1/3 с ростом ширины прилегающих ярусов; в степени 2/3 с ростом глубины разработки, мощности рудной залежи и при пересечении их тектоническими нарушениями; уменьшается с изменением систем разработок в смежных ярусах в последовательности: система слоевого обрушения — система слоевого обрушения, камерно-столбовая система — камерно-столбовая система, камерная система с закладкой — камерная система с закладкой.

Научная новизна. Заключается в обосновании применения двухъярусной схемы разработки бокситовых залежей как технологической меры предотвращения горных ударов, в разработке инженерной методики расчета предельных размеров барьерных целиков, позволяющей учитывать влияние естественной и техногенной податливости, варианты сочетаний систем разработки в смежных по падению ярусах, размеры выработанных пространств и тектоническую нарушен-ность.

Достоверность научных положений подтверждается:

— натурными исследованиями, выполненными на участках различного геологического строения и с разной степенью удароопасности (оборудовано 65 комплексных замерных станций, интерпретировано более 250 сейсмических событий с построением механизма образования плоскостей разрыва, задокументировано около 4000 метров подготовительных выработок с признаками динамических форм проявления горного давления, рассмотрено 120 случаев проявлений горных ударов).

— использованием при проведении натурных исследований комплекса инструктивных методов и аппаратуры контроля напряженно-деформированного состояния массива.

— промышленный проверкой и внедрением в производство различных вариантов двухъярусной схемы разработки отдельных участков шахт №№ 16-16 бис, 15-15 бис, 14-14 бис, "Кальинская".

Личный вклад автора состоит:

— в анализе и обобщении горно-геологических, горнотехнических ситуаций, причин проявлений динамических форм горного давления, сейсмической активности и удароопасности отдельных участков шахтных полей;

— в проведении шахтных экспериментов по определению направлений действия главных напряжений и их соотношений на современных глубинах;

— в разработке инженерной методики расчета параметров барьерных целиков при двухъярусной разработке бокситовых залежей;

— в составлении специальных проектов на проведение опытно-промышленных испытаний двухъярусной схемы разработки и осуществлении авторского контроля за ходом реализации разработанных проектов;

— в выявлении активных тектонических нарушений Североуральских бокситовых месторождений и разработке технических решений по безопасному ведению работ в зонах их влияния.

Практическая значимость работы.

Рекомендации и основные положения диссертационной работы внедрены на шахтах СУБРа для отработки удароопасных участков рудной залежи. Разработки автора используются постоянно действующей комиссией по горным ударам для решения вопросов безопасного ведения горных работ, специалистами института "СУБР-проект" при разработке специальных проектов и работниками шахт — для составления текущих месячных и перспективных годовых планов ведения горных работ.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований доведены до практического внедрения и используются на шахтах СУБРа для прогнозирования тектонически напряженных зон впереди линии фронта очистных работ, для выбора параметров профилактических мероприятий, для разработки технических решений по порядку отработки отдельных участков рудной залежи в условиях сложного блочного строения массива горных пород.

Результаты исследований автора включены в "Регламент по технологии одновременной отработки запасов руды в смежных этажах различным сочетанием систем разработки, применяемых на шахтах ПО "Севуралбокситруда" (1993 г.), "Методические рекомендации и наказы по повышению безопасности ведения горных работ в удароопасных условиях у тектонических нарушений на шахтах СУБРа" (1994 г.), "Инструкцию по креплению полевых горизонтальных и наклонных выработок шахт Североуральского бокситового бассейна" (1996 г.), в проект "Технология одновременной отработки запасов руды в смежных этажах по падению различным сочетанием систем разработки, применяемых на шахтах ОАО "Севуралбокситруда" (1997 г.), в "Руководство по определению параметров барьерного целика при различных вариантах двухъярусной отработки" (1997 г.).

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях комиссий по горным ударам ОАО "Севуралбокситруда" (Североуральск, 1992— 1998 гг.); на семинаре руководящих работников Госгор-технадзора России (Нижний Тагил, 1995 г., Екатеринбург, 1998 г.); на семинаре "Управление напряженно-деформированным состоянием массива скальных пород при разработке полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений" (Екатеринбург, 1996 г.); Всероссийском совещании по проблемам геодинамической безопасности (Екатеринбург, 1998 г.); на заседаниях секции по геомеханике Ученого Совета ВНИМИ (Санкт-Петербург, 1996 — 1998 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований диссертантом самостоятельно и в соавторстве опубликовано 12 печатных работ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 5 глав, введение и заключение, 3 приложения, список использованной литературы из 84 наименований, 59 рисунков, 17 таблиц.

Автор выражает искреннюю признательность руководителю Шабарову А. Н., ученым института ВНИМИ: Аксенову А. А., Дупаку Ю. Н., Зубкову В. В., Ломакину В. С., Петухову И. М., Сидорову В. С., Филинкову А. А., института "Унипромедь": Вольхину Б. А., Мухаметову Р. Б., сотрудникам института "СУБР-проект": Русакову В. И., Шадрину М. А., специалистам Уральского Управления Госгортехнадзора России: Вагину Н. А., Миронову В. В. за полезные советы и конструктивные замечания, высказанные при обсуждении результатов работы, сотрудникам службы ППГУ: Воинову К. А., Куликову В. Ф., Микулину Е. И., Токарликову В. П., Шилько П. В. за помощь в проведении исследований, Катаеву А. В., Назаренко Т. В. за помощь при оформлении работы, главным инженерам шахт №№ 14-14бис и "Кальинская": Но-восельченко П. Н. и Корионову С. А. за техническое руководство опытно-промышленными испытаниями двухъярусной схемы разработки.

Содержание работы

В первой главе диссертационной работы определены основные горногеологические и горнотехнические факторы, влияющие на степень удароопасно-сти бокситовых месторождений.

Обобщен опыт применения систем разработки и показано, что наиболее опасной по условиям проявления горных ударов является камерно-столбовая система разработки, что объективно связано с геологическими условиями ее применения и ее конструктивными элементами. Наиболее приемлемой для отработки удароопасных залежей является система слоевого обрушения. Остальные системы занимают промежуточное положение.

Выполнен анализ сочетаний систем, применяемых при двухъярусной схеме разработки отдельных участков рудной залежи. Проанализировано развитие удароопасных ситуаций в увязке с очистными работами в обоих ярусах. По комплексу признаков выделены три группы условий применения двухъярусной схемы. Непременным условием рассмотренных вариантов является применение специальных профилактических мероприятий по снижению напряжений массива горных пород в зоне ведения очистных работ, кроме случаев отработки блоков 4-6ю гор. —410 м шахты 16-16бис. Установлено, что эмпирический подход к определению размеров барьерных целиков недостаточно надежен для обеспечения безопасных условий отработки удароопасных участков залежи. Оценены недопустимые по фактору удароопасности схемы развития горноподготовительных работ для отработки барьерных целиков.

Во второй главе выполнен анализ блочного строения Североуральских бокситовых месторождений, выделены наиболее напряженные и удароопасные геологические блоки. Установлены условия проявления динамической активности на границах и внутри структурных блоков. Определены общие тенденции современных тектонических движений. Повышенная удароопасность связана, прежде всего, с областью повышенных напряжений, приуроченных к "узлам" нарушений. Тектонические нарушения большой амплитуды (сотни метров) не являются опасными по горным ударам сами по себе, но опасны сопутствующие и оперяющие их разрывы, а также зоны повышенных напряжений, расположенные на расстоянии 150 — 200 метров от шва крупного дизъюнктива нарушения. Ориентация главных напряжений в геологических блоках тяготеет к ориентации тектонических напряжений, приведших к формированию блочной структуры рассматриваемого региона. Однако в местах тектонических нарушений, наблюдается большее отклонение главных напряжений от соответствующих направлений, имеющих место в блоках меньшего размера, как правило, совпадающих с общерегиональными показателями.

В качестве прогностических признаков тектонически напряженных зон выделены:

— локализация сейсмических явлений, регистрируемых впереди линии фронта очистных работ ("трассы очагов, приуроченные к сместителям тектонических нарушений, "пучки" очагов, обозначающие геологические аномалии);

— постоянно проявляющиеся на нескольких маркирующих горизонтах удароопасные полосы рудной залежи, сопровождающие зоны разломов;

— аномальные изменения, в том числе и во времени, направлений действия главных напряжений в пределах отдельных участков шахтных полей;

— изменения параметров залегания тектонических нарушений, углов падения рудной залежи и ее мощности.

В третьей главе обоснована применимость модели линейно-упругой однородной среды в качестве математической модели массива, составлены расчетные схемы взаимодействия кровли и почвы очистных выработок при управлении горным давлением полным обрушением, плавным опусканием или закладкой выработанного пространства.

В четвертой главе произведен расчет основных элементов двухъярусной схемы разработки и обоснованы основные факторы, влияющие на степень нагру-жения барьерных целиков и их размеры, предложены технологические меры по предотвращению горных ударов при отработке целиков.

В пятой главе приведены технологические схемы отработки рудных участков. Первым условием безопасности является правильная оценка области применения двухъярусной схемы в связи с выделением тектонически напряженных зон и различным уровнем напряжений в них. Выделены три области применения двухъярусной схемы и, следовательно, три возможных характера ее развития.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых научных положениях:

1. Применение двухъярусной схемы разработки бокситовых залежей является технологической мерой предотвращения горных ударов, обеспечивающей первоочередную отработку участков рудной залежи с высокой концентрацией напряжений в условиях блочного строения массива горных пород и неравномерного природного поля напряжений и ликвидацию выступов в отработанном пространстве, образованных в результате "зависания" отдельных очистных блоков или участков залежи.

Исследованиями и опытно-промышленными испытаниями в удароопасных условиях СУБРа установлено, что применение двухъярусной схемы отработки залежи комбинацией различных систем разработки позволяет производить отработку наиболее напряженных зон под защитой менее удароопасных участков залежи, а также решать не менее распространенную задачу — ликвидировать отставание от общей линии фронта очистных работ отдельных "зависших" в отработанном пространстве очистных блоков — концентраторов повышенных напряжений. Формирование таких участков есть следствие блочного строения массива горных пород и существенных различий геологических условий на смежных участках рудной залежи, обусловливающих применение разнопроизводитель-ных систем разработки. Апробация двухъярусной схемы проведена как на участках с невысоким уровнем напряжений и выдержанными геологическими условиями, так и в районах с развитой тектонической нарушенностью, высоким уровнем напряжений, изменяющимся во времени в связи с развитием горных работ и общерегиональными изменениями природного поля напряжений.

Для выделения этих участков автором выполнено районирование тектонически напряженных зон в пределах месторождений "Красная Шапочка" и "Кальинское", уточнены границы структурных блоков по данным геологических, сейсмологических и натурных наблюдений и установлены закономерности проявления горных ударов на границах и внутри структурных блоков. В рамках работы выполнены исследования и обобщен опыт двухъярусной схемы разработки в четырнадцати эксплуатационных блоках на четырех шахтах.

На рис. 1 в качестве примера показан обобщенный график, построенный по регистрации сейсмической активности в двух смежных по простиранию структурных блоках, шахты "Кальинская", разделенных активным тектоническим нарушением с амплитудой 80 м. В северном поднятом крыле нарушения (блок 1ю гор. — 90 м) работы велись традиционным способом с постепенным понижением линии фронта очистных работ. В южном, опущенном крыле (блоки 9ю гор. —500 м и 2ю гор. — 590 м), применена двухъярусная схема с одновременной отработкой запасов в верхнем ярусе системой слоевого обрушения, в нижнем — камерно-столбовой системой разработки, т. е. реализовано техническое решение по отработке "зависшего" блока (9ю гор. —500 м) и выравниванию линии фронта очистных работ в пределах южного фланга шахты "Кальинская". При этом уровень сейсмической активности на участке применения двухъярусной схемы отработки

ЪДж

--2ю гор. -590 м

Л/, явл.

Рнс. 1. График сейсмической активности в блоках 1к>-2ю горизонта -590 м шахты "Калышская":

а — по суммарно выделившейся энергии; Г) — по количеству сейсмических событий

незначительно превышал аналогичный показатель смежного участка при том, что интенсивность очистных работ в опытном блоке была значительно выше. Аналогичные задачи решались на других шахтах СУБРа. Особенно показателен в этом отношении трехгодичный опыт ликвидации образовавшегося выступа рудной залежи в районе удароопасного блока 12ю гор. —500 м шахты № 14-Ибис. Запасы в блоке отрабатывались системой слоевого обрушения. Под защитой рудного массива верхнего яруса (блок 12ю) были отработаны блоки Зс-4с гор. —560 м (нижний ярус). Участок работ располагался на глубине ниже критической по уда-роопасности. По региональному прогнозу до начала двухъярусной отработки часть его выше отметки —487,8 м отнесена к удароопасным. Учитывая, что верхний ярус образован'выступом в отработанное пространство и при нарезных работах выявлены 1 и II категории удароопасности, горные работы в нем производились после разгрузки участка по площади скважинами диаметром 105 мм.

Работы в нижнем ярусе, при наличии крепких разновидностей боксита, безрудных зон и участков непромышленной мощности, то есть более опасном по фактору горных ударов, проведены опытным вариантом камерно-столбовой системы разработки с диагональным расположением очистных и подготовительных

выработок. Во время двухъярусной отработки участка различными методами выполнено 244 замера степени удароопасности локальными методами. Повышенных категорий удароопасности не выявлено. Динамических проявлений горного давления с разрушением выработок не зарегистрировано. На всех этапах очистные работы нижнего этажа велись вне зоны, опасной по региональному прогнозу. По мере отработки запасов нижнего яруса значительная часть при-грузки воспринималась неотработанным массивом блока 12ю гор. —500 м и барьерным целиком.

При подготовке очистных работ в нижнем ярусе и дальнейшем их развитии по падению, отработка рудной залежи во всех подобных горнотехнических ситуациях осуществляется в благоприятных условиях, так как практически до погашения барьерного целика имеет место отработка под защитой расположенного выше по восстанию либо рудного массива, либо искусственного барьерного целика. Динамика изменения притока упругой энергии ДЭ2 в краевую часть рудной залежи в нижнем ярусе в долях притока упругой энергии ЛЭ( в краевую часть рудной залежи в верхнем ярусе в зависимости от величины отношения текущего размера очистного 'I пространства "8" нижнего яруса

по падению к размеру нижнего яруса "а2" иллюстрируется графиком рис. 2.

Из рассмотрения графика (кривая I) следует, что вплоть до выравнивания линии фронта очист-ных работ в смежных по простиранию блоках условия выемки рудной залежи в нижнем ярусе являются более благоприятными по сравнению с традиционным способом понижения фронта очистных работ. Только после погашения барьерного целика краевая часть рудной залежи в нижнем ярусе испытывает резкий приток энергии (кривая II). Эта зависимость подтверждается изменением удароопасного состояния массива при отработке блоков 20с-21с гор. — 620 м и 20с — 21с гор. —640 м шахты № 14-14бис, когда после погашения барьерного целика и окончания реализации проекта по одновременной выемке запасов в смежных по падению этажах был зафиксирован рост сейсмических событий, в т. ч. четыре события с энергией около 106 Дж (рис. 3).

0.5

Л

/

1

/

0,5

1

5/а2

Рис. 2. Динамика изменения притока упругой энергии Д Эг в краевую часть рудной залежи в нижнем ярусе в зависимости от текущего размера "в" выработанного пространства по падению нижнего яруса

X, Дж /V, явл.

30

— явления

Период отработки целика

О

12 мес.

6 1996 г. 12% 1997 г. 6

'ис. 3. Изменение уровня сейсмической аетивносгн на участке применения двухъярусной схе-1Ы разработки (блоки 20-21 с горизонтов -620 м, -640 и шахты 14-14 бис)

2. В условиях сложного блочного строения бокситовых месторождений и /¿'равномерного природного поля напряжений выбор технологических схем двухъ-1русной разработки определяется соотношениями главных напряжений в нетро-1утом массиве горных пород:

— при соотношении широтной составляющей О/ и вертикачьной а^ менее ',25 двухъярусная схема применяется без выполнения мер предотвращения гор-1ых ударов;

— при соотношении 1,25 < ст/ / ст? < 1,4 двухъярусная схема применяется при выполнении противоударных мероприятий, в том числе и при отработке барьер-юго целика;

— при соотношении /ст2 > 1,4 отработка барьерного целика не производится.

Определения параметров природных полей напряжений, действующих в ре-ионе месторождений на существующих глубинах разработки выполнены в соот-¡етствии с требованиями "Методических указаний по оценке напряжений в мас-иве пород по показателям вдавливания прибором МГД" (1979 г.).

Достоверность результатов исследований по данной методике оценена: по арактеру деформирования пород на контуре выработок различного назначения в 1айонах размещения замерных станций, по разделению массива на диски при выбуривании керна, по тектоно-физическому и сейсмологическому методам. Всего использованием методики выполнены замеры на 72 замерных станциях, в том

числе на шахте № 16-16бис — 7, на шахте 14-14бис — 19, на шахте "Кальин-ская" — 23, на шахте "Черемуховская" — 23.

Средние значения соотношений величин главных напряжений приведены е табл. 1.

Таблица 1

Шахта <*2 аз

16-16 бис 1 0,8 0,7

15-15 бис 1 0,8 0,7

14-14 бис 1 0,6 0,5

"Кальинская" 1 0,7 0,5

"Черемуховская" 1 0,7 0,6

Как следует из таблицы, наибольшая неравномерность имеет место нг участках месторождений в пределах полей шахт 14-14 бис, "Кальинская" I "Черемуховская" и наименьшая - на шахте 15-15бис и 16-16 бис.

Полученные результаты подтверждаются анализом сейсмических явлений 1 их суммарной энергией, расследованными горными ударами с разрушением дей ствующих выработок, выявлением повышенных (I — И) категорий удароопасности объемом профилактических мероприятий, выполненных на шахтах. Степень уда роопасности отдельных участков бокситовых месторождений, как следует и: сравнительного анализа, зависит в том числе и от характера природного поля на пряжений.

На второй стадии изучения вопроса выбраны участки с различными соотно шениями широтной (ст;) и вертикальной (а2) составляющей напряжений, на кото рых применены различные технологические схемы двухъярусной разработки.

Результаты опытно-промышленных испытаний на шахте 16-16 бис в блока? 4ю-6ю гор. —410 м показали следующее.

При соотношении с^/аг < 1,25 участок характеризовался не опасным уровь^ напряжений. Отработка запасов в смежных ярусах была произведена камерно! системой с закладкой.

При погашении барьерных целиков использованы камерно-столбовая систем! разработки и система слоевого обрушения. Запасы блоков отработаны без ослож нений, повышенных категорий степени удароопасности не выявлено. Дина мические проявления горного давления не зарегистрированы, специальные мерь предотвращения горных ударов не применялись. В то же время при испытанш двухъярусной схемы на шахтах 14-14 бис и "Кальинская" очистные работы в бло ках сопровождались комплексом противоударных мероприятий практически н; всех этапах при 1,25 < с^/ о2 < 1,4.

3. Предельный размер барьерных целиков при двухъярусной отработке зависит от нескольких различных по значимости факторов. Он увеличивается в степени 1/3 с ростом ширины прилегающих ярусов; в степени 2/3 с ростом глубины разработки, мощности рудной залежи и при пересечении их тектоническими нарушениями; уменьшается в степени 2/3 с увеличением прочности руд с изменением систем разработок в смежных ярусах в последовательности: система слоевого обрушения — система слоевого обрушения, камерно-столбовая система — камерно-столбовая система, камерная система с закладкой — камерная система с закладкой..

В рамках положений теории расчета целиков с учетом опасности проявлений горных ударов автором разработаны расчетные схемы, позволяющие учесть максимально возможное количество факторов, влияющих на их предельные размеры, при которых барьерный целик переходит в предельно-напряженное состояние по всей площади, упругое ядро в средней части полностью исчезает и при дальнейшем росте нагрузок целик не способен их воспринимать.

Существенными факторами, не учитывающимися ранее при расчетах предельных размеров барьерных целиков, являются:

— их естественная и техногенная податливость;

— сочетания систем разработки в смежных по падению этажах;

— размеры выработанных пространств, прилегающих к барьерному целику по простиранию;

— тектоническая нарушенность в районе барьерного целика.

Неучет этих факторов приводит к отклонениям от реально опасного размера как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения.

Автором разработаны следующие геомеханические положения, позволяющие учесть вышеперечисленные факторы.

Поскольку ширина предельно-напряженных рудных барьерных целиков по падению для условий отработки бокситовой залежи не превышает более чем в 2 — 2,5 раза его мощность, допустимо использовать линейную апроксимацию эпюры термальных к напластованию напряжений, действующих по ширине барьерного целика. Кроме того, такая аппроксимация приводит к некоторому увеличению лирины (Ьпр), что является более надежным с точки зрения обеспечения безопасности.

Расчетная формула для определения величины (Ьпр) при условии слияния зон тредельно напряженного состояния целика по падению и восстанию имеет сле-тующий вид:

а, +а2

Ьпр = 0,8 К --------------------(1)

02/3

-де К — коэффициент, учитывающий пригрузку при наличии тектонических «рушений (для пассивных тектонических нарушений К =1,2; для активных

дизъюнктивов К — 1,45); а| и а2 - соответственно минимальные размеры выработанного пространства в верхнем и нижнем ярусах, м; О — комплексный показатель, характеризующий нагрузку на единицу площади барьерного целика;

сткуб а1 + а2

0 =------ ---------- (2)

0 2 т

где с^ — кубиковая прочность материала барьерного целика, Сф = 1,4 стсж, МПа; стга — предел прочности материала барьерного целика на одноосное сжатие, МПа; а — нормальные к напластованию напряжения в нетронутом массиве горных пород, МПа;

ст = у' Н (соэ2 а + ' бш2 а)' (1 — Р); (3)

где у — удельный вес налегающих пород, МН/м3; Н — проектная глубина расположения барьерного целика, м; а — угол падения рудной залежи, град.; = а,/с2 — отношение широтных напряжений к вертикальным в нетронутом массиве горных пород вне зоны влияния очистных выработок; т — среднее значение мощности рудной залежи по площади барьерного целика, м. Величина А,т для условий СУБРа, как показано автором, существенно отличается от показателя бокового распора, который не превышает 0,4. Величина этого показателя различна на разных участках месторождений (табл. 2); р — отношение веса пород, воспринимаемого несущими элементами системы разработки (или почвой выработанного пространства в случае применения систем с обрушением налегающих пород) е соответствующем ярусе к весу подрабатываемой толщи горных пород.

Таблица 2

Показатели для шахт СУБРа

Шахта 16-166ИС 15-15бис 14-14бис "Кальинская" "Черемуховская"

Хт 1,25 1,25 1,67 1,43 1,43

Значения величины Р для различных систем разработки приведены в табл. 3.

Таблица 2

Система разработки ССО КСС КСЗ (отработаны ПК) КСЗ (отработаны и заложены ПК и ВК)

Р а Ьё Фз 0,1 0,5 0,2

4 Н

Примечание: ССО — система слоевого обрушения; КС С — камерно-столбовая систем; разработки; КСЗ — камерно-столбовая система разработки с закладкой; ПК — первичные камеры ВК — вторичные камеры.

<РЗ = 4/3 +(10°* 12°)

(4)

де ф3 — угол давления обрушенных пород на почву выработанного пространства, рад.; — угол полных сдвижений, град.;

Кратность 2/3 в формуле ( 1 ) имеет место вследствие линейного нарастания шорных нагрузок в целике от обнажения до точки максимума опорного давления.

Вдвое по показателю степени сильное влияние параметров Н, о^в по сравне-1ию с величинами а! и а2 объясняется тем, что степень пригрузки кромок целика о стороны падения и со стороны восстания пропорциональны величине К, — ко-ффициента интенсивности напряжений, широко используемому в механике рупкого разрушения, определяемого по формулам:

К| = л'тгст — для верхней кромки целика; (5)

2

п а2

К, = у ли у— — для нижней кромки целика. (6)

Из анализа структуры этих формул следует, что силовые характеристики (уН, ■сж ) влияют по показателю степени вдвое сильнее, чем размер очистной выработ-и. Это же относится и к величине "т" — вынимаемой мощности рудной залежи. >двое более сильное по показателю степени влияние величины "т" происходит следствие линейного характера нарастания опорных нагрузок от кромок целика. 1ри этом крутизна нарастания прямо пропорциональна осж и обратно пропорцио-альна величине "т".

Заключение

В диссертации содержится решение задачи повышения безопасности и эф-»ективности разработки удароопасных бокситовых месторождений на больших пубинах в условиях тектонической нарушенности за счет применения двухъярус-ой системы разработки, имеющей существенное значение для раскрытия геоме-анических процессов и управления ими при подземной разработке.

Результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Установлено, что степень удароопасности отдельных месторождений Се-ероуральского бокситового района не одинакова.

Анализ количества сейсмических явлений и суммарно выделившейся энер-ии, расследованных случаев горных ударов с разрушением действующих вырабо-ок, повышенных категорий удароопасности, выявленных локальными методами рогноза, объема профилактических мероприятий, выполненных на отдельных тхтах, показывает, что наиболее опасными являются месторождения "Красная Папочка" и "Кальинское", а в пределах их участки "Восточная залежь" и "Южно-

Кальинский". Выделенные участки являются отдельными структурными геоло гическими блоками, на границах и внутри которых сформировано сложное на пряженно-деформированное состояние.

2. Максимумы уровня сейсмической активности приурочены как к зонам гра ничных разломов, так и к участкам с развитой тектонической нарушенное™ внутри рассмотренных геологических блоков. Формирование удароопасности разрывных нарушений обусловливается: образованием зон повышенных напряже ний, либо непосредственно у сместителя, либо на определенном расстоянии, зависимости от геологического состояния массива пород, в крыльях, вследстви концентрированного накопления энергии упругого деформирования, динамико взаимодействия тектонических блоков, влиянием тектонически напряженных зог Определено, что удароопасность участка зависит от степени изменения элементо дизъюнктива, которая тем выше, чем прочнее руды и породы на участке его фор мирования.

3. Ориентация главных напряжений в блоках тяготеет к ориентации прилс женных к системе блоков сжимающих нагрузок, то есть к ориентации тектоние ских напряжений, приведших к формированию блочной структуры рассматривае мого района. В местах тектонических нарушений наблюдается больше отклонение главных напряжений от соответствующих направлений, имеющи место в однородных блоках, как правило, совпадающих с общерегиональным широтными показателями. Ориентация главных напряжений претерпевает измб нение с отдельными актами смещений в блочной структуре, возникающих пр динамических проявлениях горного давления. Различные отклонения от горизоь тали широтной составляющей вектора напряжений в поле шахт 14-14 бис "Кальинская" обусловливают различия в характере локализации сейсмически явлений, а, следовательно, в выборе способов предотвращения горных ударов ил снижения негативных последствий проявлений горного давления.

4. Выделение тектонически напряженных зон впереди фронта очистных рабе необходимо производить с использованием прогностических признаков, приек лемых как на стадии проектирования, так и на стадии ведения горных работ. 1 этим признакам относятся: локализация сейсмических явлений, регистрируемы впереди линии фронта очистных работ ("трассы", приуроченные к швам тектс нических нарушений, "пучки", обозначающие геологические аномалии), постояь но проявляющиеся на нескольких маркирующих горизонтах полосы рудной зал* жи, сопровождающие зоны разломов: аномальные изменения направлени действия главных напряжений в пределах ограниченных участков шахтных поле! прогнозируемых по данным геологической разведки изменения параметров зал( гания тектонических нарушений, углов падения рудной залежи и ее мощности.

5. Установлено, что степень влияния геологических и технологических фа! торов на уровень удароопасности в разных районах различна. В большинстЕ случаев преобладающими являются геологические. При превышении кр1 тического размера очистной выработки влияние техногенных факторов многс

ратно возрастает. Поскольку возможности нейтрализации геологических факто-ов весьма ограничены, то большую актуальность приобретает управление техно-огическими факторами. При оптимальном соотношении размеров выработанного ространства и опор в нем можно уменьшать нагрузки на жесткие конструктив-ые узлы и элементы систем разработок.

6. Двухъярусная схема разработки обеспечивает: выравнивание линии фронта чистных работ на участках применения разнопроизводительных систем разра-этки, ликвидацию выступов в отработанном пространстве шахтных полей, пер-)очередную отработку напряженных участков нижнего яруса под защитой руд-эго массива верхнего яруса.

7. Установлено, что для отработки барьерного целика наиболее благоприят->1ми по фактору удароопасности являются: система слоевого обрушения с распо->жением подготовительных и нарезных выработок под отработанным пространном и система этажно-камерного обрушения.

Полученные результаты позволили наметить задачи дальнейших исследо-ший:

— исследование оптимальных соотношений размеров выработанного про-ранства и опор рудной залежи с определенными размерами по падению и про-иранию; возможности использования искусственных опор и исследование влия-1Я естественных жестких опор, представленных безрудными участками и астками непромышленной мощности на характер изменения напряженно-формированного состояния руд (пород);

— разработка технологических схем, предусматривающих ведение очистных бот по восстанию рудной залежи в условиях преобладания широтной состав-ющей сжимающих напряжений и соответствия ее направления углу падения пежи.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Шадрин М. А., Колесов В. А., Селивоник В. Г. Повышение устойчивости работок в зонах влияния разрывных нарушений // Горный журнал. — 1993, 7. - С. 32-35.

2. Шабаров А. Н., Зубкова И. А., Зубков В. В., Сидоров В. С., Селивоник В. Г. фмирование предельно-напряженного состояния в барьерных целиках // Физика механика разрушения горных пород применительно к горной геомеханике и 1смологии. Сб. Трудов семинара 7 — 9 сентября 1993 г. — СПб.: ВНИМИ, 1994. С. 61-67.

3. Матвеев П. Ф., Колесов В. А., Селивоник В. Г. Природа, условия, прогноз и здотвращение горных ударов на шахтах АО "Севуралбокситруда" // Рефераты <ладов Международного симпозиума по горным ударам и внезапным выбросам цахтах: теоретическое обоснование, прогнозирование, предупреждение й обес-1ениезащиты, 5-9июня 1994г. - СПб.: ВНИМИ, 3994. - С. 54-55.

4. Селивоник В. Г. и др. Прогноз и предотвращение горных ударов на Севе роуральских бокситовых месторождениях. — Североуральск, 1995. — 75 с.

5. Селивоник В. Г. Расчет параметров родных и барьерных целиков при раз личных вариантах двухъярусной разработки // Методика и техника ведения марк шейдерских и геологических работ на шахтах и разрезах. Сб. научн. тр. — СПб. ВНИМИ, 1997. - С. 121 - 129.

6. Селивоник В. Г. Опыт использования двухъярусной схемы отработки бок ситовых залежей в условиях тектонической нарушенное™ Североуральских ме сторождений // Материалы X Межотраслевого координационного совещания п проблемам геодинамической безопасности, 6—9 октября 1997 г. — Екатеринбур! 1997. - С. 100-104.

7. Микулин Е. И., Колесов В. А., Селивоник В. Г. и др. Опыт разработки удг роопасных бокситовых месторождений СУБРа // В кн. — Прогноз и предотвр; щение горных ударов на рудниках. — М.: МГН, 1997. — С. 109— 173.

8. Селивоник В. Г., Воинов К. А. Оценка поля напряжений и подвижност структурных блоков по результатам обработки механизмов очагов сейсмически событий // Горная геофизика. Сб. трудов международной конференции 2225 июня 1998 г. - СПб.: ВНИМИ, 1998. - С. 86-91.

Инструктивные и методические документы:

1 Инструкция по креплению полевых горизонтальных и наклонных выраб< ток шахт Североуральского бассейна. — СПб.: СПБГГИ, 1993. — 61 с.

2. Инструкция по креплению подготовительных горных выработок в руде i шахтах Североуральского.бокситового бассейна. — СПб.: СПБГГИ, 1993. — 40 (

3. Методические рекомендации и наказы по повышению безопасности вед ния горных работ в удароопасных условиях у тектонических нарушений на шахт; СУБРа. - Североуральск, 1994. - 82 с.

4. Инструкция по креплению полевых горизонтальных и наклонных выработ< шахт Североуральского бокситового бассейна. — СПб.: СПБГГИ, 1996. — 56 с.

I / Л /\ г • >

у] 4 и Ц ** \ ■ # * л

I * | I V,, . ч

$ "ч--' V'

Министерство экономики Российской

Федерации ДЕПАРТАМЕНТ ЭКОНОМИКИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО (ОАО) "СЕВУРАЛБОКСИТРУДА"

На правах рукописи

Селивоник Владимир Григорьевич

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ДВУХЪЯРУСНОЙ ОТРАБОТКИ БОКСИТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальности 05.15.11 "Физические процессы горного производства"

и 05.15.02 " Подземная разработка месторождений полезных ископаемых"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель, кандидат технических наук А.Н.Шабаров

Североуральск, 1998 г

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................... 4

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ......................................... 13

1.1. Краткая горно-геологическая характеристика месторождений............................................................................................ 13

1.2. Анализ применяемых систем разработки по фактору удароопасности........................................................................................... 27

1.3. Обзор применяемых сочетаний систем.

Достоинства, недостатаи........................................................... 33

1.4. Цель и задачи исследований..................................................... 66

2. ХАРАКТЕР ПРОЯВЛЕНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ МАССИВА НА ШАХТАХ № 14-14 БИС И "КАЛЬИНСКАЯ".............................................................................. 69

2.1. Характер формирования внутренней и тектонической структуры блоков........................................................................................ 69

2.2. Комплексная оценка по геологическим, сейсмологическим

и натурным наблюдениям удароопасности блоков с учетом динамической

активности разрывных нарушений на шахте № 14-14 бис........................ 89

2.2.1. Влияние техногенного фактора на удароопасность динамически активных блоков.......................................................................................... ИЗ

2.3. Комплексная оценка по геологическим, сейсмологическим

и натурным наблюдениям удароопасности блоков с учетом динамической активности разрывных нарушений на шахте "Калышская"....................... 119

2.4. Выделение тектонически напряженных зон впереди линии фронта очистных работ................................................................................ 127

Выводы................................................................................................ 137

ХАНИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ РАЗРАБОТКИ........................................................................................................................139

3.1. Геомеханические предпосылки к выбору математической модели напряженно-деформированного состояния массива горных

пород.....................................................................................................................................................................139

3.2. Задание граничных условий в нетронутом массиве и на почве

очистных выработок............................................................................................................................................................................144

Выводы...........................................................................................................

4. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДВУХЪЯРУСНОЙ СХЕМЫ РАЗРАБОТКИ........................................................................................................................................................154

4.1. Расчет напряжений в барьерных целиках........................................................................154

4.2. Расчет устойчивости и ударопасности барьерных целиков............157

4.3. Расчет напряжений в подстилающих породах........................................................178

Выводы...................................................................................................182

5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ...............................................184

5.1. Технологические схемы двухъярусной отработки рудной залежи

с учетом удароопасности руд на шахтах СУБРа........................................................................................184

Выводы..................................................................................................................200

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................................................................204

ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................208

ПРИЛОЖЕНИЕ 1......................................................................................................................................................................217

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.......................................................................................................226

ПРИЛОЖЕНИЕ 3......................................................................................................................................................................244

Актуальность проблемы.

Шахты Североуральского бокситового района, основного поставщика высококачественного сырья для алюминиевого комплекса, являются наиболее ударо-опасными среди других рудников России.

По состоянию на 1 января 1998 года на шахтах СУБРа произошло 319 горных ударов различной тяжести, сейсмическая энергия самых сильных из них достигла 108 Дж. Ежегодно сейсмостанция "Североуральск" регистрирует более 1000 сейсмических явлений.

На протяжении последних 25 лет многочисленными научными учреждениями проводится поиск средств и методов предупреждения горных ударов с учетом многообразия горногеологических и горнотехнических факторов. Развитие теории, способов и средств управления напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при отработке Североуральских бокситовых месторождений в последние годы реализовывалось в рамках "Координационного плана научно-исследовательских, проектно-конструкторских и горно-экспериментальных работ по развитию теории, разработке и освоению комплекса мер по безопасной и эффективной эксплуатации рудных, нерудных месторождений и других объектов недр, склонных к горным ударам, 1992-1996 гг.", утвержденного Госгор-технадзором РФ 10 октября 1991 года и межотраслевой программы "Геодинамическая безопасность", утвержденной Госгортехнадзором России 14 октября 1996 года.

Все работы по проблеме горных ударов проводятся под методическим руководством института ВНИМИ. В результате выполненных научно-исследовательских, проектно-конструкторских и горно-экспериментальных работ созданы методы регионального и локального прогнозирования удароопасности горных пород и разнопрофильная аппаратура для его осуществления. Впервые в горнорудной практике сейсмическим методом выделяются области шахтных полей опасные по возможному проявлению горных ударов, разработаны способы

нейтрализации выделенных опасных очагов. Разработаны и реализованы варианты технологических схем добычи боксита, повышающие безопасность ведения горных работ в удароопасных условиях.

Исследованиями удароопасности целиков и краевых частей пластов и рудных залежей, изучением условий их нагружения занимались ученые Российской Федерации и других стран СНГ: С.Г.Авершин, И.Т.Айтматов, Я.А. Бич, В.И.Борщ-Компониец, Н.П. Влох, Б.А.Вольхин, В.Б. Дьяковский, A.B. Зубков, В.В.Зубков, П.В. Егоров, В.А.Колесов, М.В.Курленя, А.М.Линьков, Г.Г. Милехин, Е.Й.Микулин, Р.Б.Мухаметов, И.М.Петухов, А.А.Филинков, А.Н. Шабаров, М.А.Шадрин и др.

Установлено, что одним из основных условий проявления удароопасности является накопление энергии упругого сжатия горных пород при значительных пролетах обнажения, большой глубине разработки, высокой прочности удароопасных руд. Следует отметить, что несмотря на многогранность аспектов проблемы, изученных в исследованиях, в недостаточной степени выявлены особенности влияния природного поля напряжений на условия проявления удароопасности при одновременном ведении очистных работ в смежных ярусах, особенно при отработке барьерных целиков, разделяющих смежные ярусы. При этом выемка барьерных целиков осуществляется, как правило, при наличии в них геологических нарушений и при действии естественных (фоновых) напряжений, значительно превышающих уровень /И. Только с учетом влияния перечисленных факторов, могут быть надежно установлены безопасные размеры разделительных барьерных целиков, разработаны эффективные способы управления удароопас-ным состоянием массива горных пород при одновременной отработке рудной залежи в смежных по падению ярусах. Анализ состояния вопроса позволил сформулировать цель и задачи исследований.

Практика ведения горных работ показала, что не все месторождения Североуральского бокситового района в одинаковой степени опасны. В пределах шахтных полей выделяются участки, отработка которых возможна лишь при уело-

вии выполнения комплекса технологических и специальных мер предотвращения горных ударов. На отдельных участках применение традиционных мер оказывается неэффективным. В связи с этим необходимо: во-первых, выделить места и участки с аномально высокими концентрациями напряжений в пределах шахтных полей; во-вторых, разработать и применять эффективные мероприятия и технологические схемы ведения горных работ, позволяющие управлять удароопасным состоянием массива горных пород на таких участках.

Для решения первой части задачи, своевременного выявления тектонически напряженных зон, на шахтах СУБРа широко применяется метод геодинамического районирования, разработаны прогностические признаки аномальных зон, имеются апробированные технические средства для их выделения. Частичное решение второй части задачи связано с более широким распространением технологии одновременной отработки рудной залежи в смежных по падению ярусах.

Цель работы. Разработать и обосновать оптимальные технологические схемы ведения очистных работ при двухъярусной отработке участков бокситовых месторождений опасных по горным ударам и методику расчета параметров барьерных целиков с учетом многообразия геологических, горнотехнических факторов и применяемых в смежных по падению ярусах систем разработки.

Идея работы. Заключается в использовании выявленных особенностей и характера напряженно-деформированного состояния массива горных пород на участках с развитой тектонической нарушенностью как на границах, так и внутри структурных геологических блоков, а также закономерностей динамических проявлений горного давления в слоистых породах кровли для выбора ударобез-опасных элементов двухъярусной схемы разработки.

Задачи исследований:

- выполнить анализ блочного строения Североуральских бокситовых месторождений, выделить геологические блоки с разной степенью удароопасности; ти;

- провести комплексную оценку удароопасности блоков по геологическим, сейсмологическим и натурным наблюдениям с учетом динамической активности разрывных нарушений, выявить закономерности распространения тектонически напряженных зон в пределах полей шахты № 14-14 бис и шахты "Кальинская";

- определить направление главных напряжений и их соотношений на разных участках месторождений с использованием геомеханического, сейсмологического и тектоно-физического методов;

- выполнить анализ геологических и горнотехнических факторов, определяющих условия применения двухъярусной схемы разработки и влияющих на выбор расчетной схемы определения предельных размеров барьерных целиков;

- провести опытно-промышленные испытания двухъярусной схемы с различными вариантами сочетаний систем разработок, апробировать технологические и специальные мероприятия по снижению напряжений в их конструктивных элементах.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач проведены инструментальные шахтные исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород, проанализированы проявления горного давления в динамической форме и характер сейсмической активности на границах и внутри геологических блоков, обобщен опыт ведения горных работ в зонах активных тектонических нарушений и на участках сплошного оруденения, разработаны специальные проекты на двухъярусную отработку отдельных эксплуатационных блоков и проведен авторский контроль за ведением опытно-промышленных работ в этих блоках, выполнены теоретические исследования по выбору математического аппарата и расчетных схем по определению предельных размеров барьерных разделительных целиков, определены геологические и горнотехнические факторы, влияющие на конструктивные элементы двухъярусной схемы разработки.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Применение двухъярусной схемы разработки бокситовых залежей является технологической мерой предотвращения горных ударов, обеспечивающей первоочередную отработку участков рудной залежи с высокой концентрацией напряжений в условиях блочного строения массива горных пород и неравномерного поля напряжений и ликвидацию выступов в отработанном пространстве, образованных в результате "зависания" отдельных очистных блоков или участков залежи.

2. В условиях сложного блочного строения бокситовых месторождений и неравномерного природного поля напряжений выбор технологических схем двухъярусной разработки отпределяется соотношениями главных напряжений в нетронутом массиве горных пород:

- при соотношении широтной составляющей <У \ и вертикальной О* 2 менее 1,25 двухъярусная схема применяется без выполнения мер предотвращения горных ударов;

<т |

- при соотношении 1,25 ^ - 1,4 двухъярусная схема применяется при

СГ2

выполнении дополнительных противоударных мероприятий, в том числе и при отработке барьерного целика;

сг1

- при соотношении > ь4 отработка барьерного целика не производится.

3. Предельный размер барьерных целиков при двухъярусной отработке зависит от нескольких различных по значимости факторов. Он увеличивается в степени 1/3 с ростом ширины прилегающих ярусов; в степени 2/3 с ростом глубины разработки, мощности рудной залежи и при пересечении их тектоническими нарушениями; уменьшается в степени 2/3 с увеличением прочности руд с изменением систем разработок в смежных ярусах в последовательности: система слоевого обрушения - система слоевого обрушения, камерно-столбовая система - камерно-столбовая система, камерная система с закладкой - камерная система с закладкой.

Научная новизна. Заключается в обосновании применения двухъярусной схемы разработки бокситовых залежей как технологической меры предотвращения горных ударов; в разработке инженерной методики расчета предельных размеров барьерных целиков, позволяющей пофакторно учитывать влияние естественной и техногенной податливости, варианты сочетаний систем разработки в смежных по падению ярусах; размеры выработанных пространств, прилегающих к барьерному целику по простиранию залежи и тектоническую нарушенность в пределах барьерного целика, в установлении направлений и соотношений главных напряжений природного поля на современных глубинах и их использовании для оценки условий применения двухъярусной схемы разработки.

Достоверность научных положений подтверждается:

1. Натурными исследованиями, выполненными на участках различного геологического строения и с разной степенью удароопасности (оборудовано 65 комплексных замерных станций, интерпретировано более 250 сейсмических событий с построением механизма образования плоскостей разрыва, задокументировано около 4000 метров подготовительных выработок с признаками проявления горного давления, рассмотрено 120 случаев проявлений горных ударов).

2. Использованием при проведении натурных исследований комплекса широко апробированных методов и аппаратуры контроля напряженно-деформированного состояния массива.

3. Промышленной проверкой и внедрением в производство различных вариантов двухъярусной схемы разработки отдельных участков шахт №№ 16-16 бис, 15-15 бис, 14-14 бис, "Кальинская".

Личный вклад автора состоит:

- в анализе и обобщении горногеологических, горнотехнических ситуаций, причин проявлений горного давления, сейсмической активности и удароопасности отдельных участков шахтных полей;

- в разработке методик проведения исследований напряженно-деформиро-

ванного состояния массива горных пород, в проведении шахтных экспериментов по определению направлений действия главных напряжений и их соотношений на современных глубинах;

- в разработке инженерной методики расчета параметров барьерных целиков при двухъярусной разработке бокситовых залежей;

- в составлении специальных проектов на проведение опытно-промышленных испытаний двухъярусной схемы разработки, в осуществлении авторского контроля за ходом реализации разработанных проектов;

- в выявлении активных тектонических нарушений Североуральских бокситовых месторождений и разработке технических решений по безопасному ведению работ в зонах их влияния.

Практическая значимость работы.

Рекомендации и основные положения диссертационной работы внедрены на шахтах СУБРа для отработки удароопасных участков рудной залежи. Разработки автора используются постоянно действующей комиссией по горным ударам для решения вопросов безопасного ведения горных работ, специалистами института "СУБР-проект" при разработке специальных проектов и работниками шахт - для составления текущих месячных и перспективных годовых планов горных работ.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований доведены до практического внедрения и используются на шахтах СУБРа для прогнозирования тектонически напряженных зон впереди линии