автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Геомеханическое обоснование технологических схем разгрузки массивов горных пород блочного строения на удароопасных месторождениях

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА.

На правах рукописи

Коротких Виктор Иванович

УДК 622.272

ГВОМЕХАНИЧВСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ РАЗГРУЗКИ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД БЛОЧНОГО СТРОЕНИЯ НА УДАРООПАСБЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

Специальность 05.15.02 "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 1992

Работа выполнена на Норильском горно-металлургическом ш и в Институте горного дела СО РАН

Научный руководитель: академик РАН

КУРЛЕНЯ Михаил Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ЕГОРОВ Петр Васильевич

кандидат технических наук, с.н.с. ШАПАУРОВ Виссарион Александрович

Ведущая организация: СибЦветМетНШПроект

Защита диссертации состоится " ¿¿-/г^-с^ол 1992 г. в 1Ч.ОО часов на заседании специализированного совета Д 003.17.01 при Институте горного дела СО РАН по адресу: 630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54

(С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институте горного дела СО РАН.

Автореферат разослан " 1992 г.

Учёный секретарь специализированного совета, доктор технических наук, профес

• , ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Разработка глубокозалегающих руд Талнахско-Ок-'ябрьского месторождения осложняется тектонической нарушенностыа, щсоким уровнем действующих сжимающих напряжений и сопряжена с опас-юстью горных ударов. Практика рудников показывает, что в таких ус-говиях технологая должна содержать в себе специальные элементы зада-'ы от воздействия неблагоприятных факторов.

Пологая залежь высокоценных медно-никелевнх руд крупнейшего в 'оссии Октябрьского месторождения расположена на глубинах порядка 1,8-1,5 ии и нарушена многочисленными крутонаклоннкми трещинами, ко-орые простираются вдоль фронтов сплошной вышки полезного ископае-;ого. Отработка производится с помощью слоевых и камерных систем с акладкой выработанного пространства твердеющими смесями. Для того, тобы обеспечить безопасность горных работ, предусматривается возве-;ение бетонного защитного слоя над зоной очистных работ пут ел про-.одки параллельных штреков и последующей их закладки. Шесте с тем, редварительяая надрабогка является опасной' и наиболее трудоемкой ехнологической операцией. Особенно часто и в самой угрожающей фор-:е горное давление проявляется при приближении фронтов защитной вы-мки и крупным тектоническим нарушениям. Вблизи тектонических разив об нередко теряют устойчивость и очистные выработки,.которые соз-аются под закладочным массивом. Исследования налряженно-деформиро-анного состояния удароопасного массива блочного строения, налрав-енные на разработку и обоснование безопасных и эффективных способов ащиты зоны очистных работ от проявлений горного давления являются кгуальными и имеют важное значение.

Результаты диссертационной работы получены при выполнении науч-о-исследовательских программ ББИШ, ШКОН РАН, ИГД СО РАН, йнститу-а Гипроникель, Норильского ПЖ, входящих в состав отраслевого плана азвития науки и техники Министерства Металлургии России (ГШ-22.2.2, 13-22.01.06, МП-22.1.4, ME-I7r.0I.07) и в хоздоговорную тематику пла-а НГОКР Н1Ж (х/д 455-13), (Ш Госрегистрации 8103788, 01830066360, 1850019326, 01860029405).

Цель работы. Обоснование технологических схем разгрузки ударо-

пасных массивов блочного строения, обеспечивающих повышение эффектности и безопасности горных работ.

Идея работы. Использовать закономерности напряжения деформиро ванного состояния массива горных пород для совершенствования техно логических схем защиты зоны очистных работ'от проявлений горного давления.

Задачи исследований:

- усовершенствовать технологии сооружения сплошного защитного слоя путем проходки выработок вдоль простирания крутонаклонных природных трещин с учетом процессов нагружения и деформирования npi< забойных частей нарушенного массива горнах пород;

- оценить порядки отработки запасов в районе сброса по фактор; ударобпасности на базе изучения механизмов взаимодействия пород крыльев тектонического разрыва;

- разработать способы защитной выемки удароопасного блочного массива и обеспечить повышение безопасности и эффективности горных работ.

Методы исследований. Анализ результатов ранее выполненных исследований напряженно-деформированного состояния удароопасных - мае сивов блочного строения. Визуальные наблюдения за состоянием под-замных выработок. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния отрабатываемых массивов горных пород. Измерени напряжений, деформаций и смещений горных пород в натурных условиях Статистическая обработка результатов маркшейдерских съемок выработок. Промышленные эксперименты по проверке технологических схем за щитной выемки.

Научные положения, защищаемые автором:

- технология предварительного возведения перед фронтом очистных работ в кровле мощной удароопасной пологой залежи бетонного за щитного слоя на глубине I00Q-I500 м должна включать на этапе разре ки запеки проведение и закладку передовых штреков шириной 8 м с ос тавлением между ниш целиков шириной 8 м, а период времени между проведением двух соседних передовых штреков после разрезки рудног массива на всю мощность должен составлять не более 6 месяцев;

- в целях обеспечения равномерного режима сдвижения налегающе толщи и устойчивости обнажений искусственного массива технология в емки запасов мощной удароопасной пологой рудной залежи в зоне геологического сброса с углом падения выше 45° должна включать сооружение бетонного защитного слоя одновременно по обе стороны сброса

последующую выемку надработанных запасов, начиная с лежачего крыла;

- выемка пологой рудной залени расходящимися фронтами от крутопадающего сброса или искусственно созданного крутонаклонного плоского ослабления приводит к разгрузке участка рудного массива, граничащего с налегающей толщей пород по плоскости ослабления;

- в удароопасном массиве, нарушенном крутонаклонным сбросом шв параллельными и крутопадающими трещинами движение фронта защитной выемки к сбросу со стороны лежачего крыла или в направлении падения трещин сопровождается относительно частыми мелкомасштабными динамическими разрушениями (типа шелушения и заколообразования), а движение фронта в противоположном направлении сопровождается зависанием консоли пород и приводит к относительно редким, но более интенсивным динамическим разрушениям.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом и комплексностью экспериментальных исследований, сходимостью мевду результатами моделирования и данными натурных измерений, промышленным внедрением результатов исследований в практику.

Научная новизна:

- определена оптимальная ширина надрабатываемых штреков, создаваемых чёрез целик на этапе разрезки пологой мощной удароопасной рудной залежи на глубине 1000-1500 м при прочности пород и руд 90130 МПа, которая составляет 8 м;

- выявлено ослабляющее действие передовой выработки сплошного защитного слоя на впереди лежащий массив;

- достигнут равномерный реким сдвижения подрабатываемых пород крыльев сброса, обеспечивающий устойчивость обнажений закладки и получаемый за счет одновременной выемки надработанных запасов лежа-

■ чего крыла. При любых других порядках развития горных работ сдвижение пород крнпьев протекает неравномерно, устойчивость обнажений закладки ухудшается;

- получен, эффект разгрузки участка рудного массива в лежачем крыле сброса при выемке пологой рудной залежи расходящимися фронтами от плоскости нарушения;

- установлено, что при движении фронта защитной вышки к кру-топадащему сбросу со стороны лежачего крыла или в направлении падения крутонаклонных трещин в передовых штреках протяженность оча-

гов динамических разрушений составляет 5-15 м, а при движении фронта в противоположном направлении - 30-40 м,. при этом в первом случае частота динамических проявлений вше.

Реализация и внедрение работы: Осуществлено сооружение защитных слоев в панелях 8,9 шахты I рудника "Таймырский" и в панелях 9,11,12 шахты 2 рудника "Октябрьский" на участке нрупноамплитудного сброса с углом падения 50-70°. При камерно-целиковом порядке выемки возведение защитного слоя выполнено в панелях 13,14,15 шахты 2 рудника "Таймырский". Внедрение разработанного способа защитной выемки позволило получить в I9S7-I9SG гг. реальный экономический эффект в размере 245 тыс.руб. .

Результаты работы использованы при составлении нормативно-методических документов, действующих на рудниках Норильского Mi: "Временной технологической инструкции по разработке сплошных сульфидных руд слоевыми и камерными системами с использованием дистан-ционноуправляемых погруз очно-транспортных машин на рудниках ЖЖ", 1988 г., "Указаний по безопасному ведению горных работ на Талнахс-ком и'Октябрьском месторождениях, склонных к горным ударам", 1990г., а также при проектировании торных работ на Октябрьском месторождении техническими отделами рудников и Институтом Гипроникель и Но-рильскпроект.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на XI Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород /Новосибирск, 1990 г./, 71 Всесоюзном семинаре по аналитическим методам и применению ЭВМ в механике горных пород /Новосибирск, 1991 г./, научно-технических конференциях и совещаниях Горной секции НТО НМК /Норильск, 1988-1990 г.г./, научных семинарах ИГД СО РАН /Новосибирск, I99Q-I99I г.г./.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи, в научных журналах, получено авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем диссертации. -Диссертация изложена на 143 страницах машинописного текста, включая 34 страницы рисунков, ? таблиц на 7 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе излагается состояние вопроса, цель и задачи исследований. Пологопадающая залежь сульфидных медно-никелевых руд Октябрьского месторождения средней мощностью 20-25 м расположена на глубинах 600-1600 м. Сверху она перекрывается слоем интрузивных пород общей мощностью порядка 40-70 м. Рудный массив и налегающая толща нарушены многочисленными тектоническими разрывами. Наиболее широко на месторождении распространены тектонические нарушения типа сброс, простирающиеся близко к меридианальному направлению и практически параллельно фронтам сплошной выемки. Вертикальная амплитуда смещения рудного тела в крыльях сброса в большинстве случаев колеблется в интервале 5-15 м. Углы падения сбросов 45-85°. Преимущественное направление падения западное. В структурном блоке горный шс-сив расчленен несколькими пересекающимися системами мелких трещин. Преобладают крутопадающие под углами 60-80° на запад трещины, простирающиеся как и сбросы в меридиаяальном направлении. Средний размер ограничиваемого трещинами призматического элементарного блока 0,15-0,3 м.

Месторождение отнесено к опасным по горным ударам. Исходное на пряженное состояние рудного массива характеризуется наличием тектонических сил. Горизонтальные сжатия составляют порядка 0,6-1,7¿ГН; вертикальные - 0,6-1,4 ¿ГН. Наиболее выраженные области возмущений в поле напряжений и распределении механических свойств пород наблюдаются у крупноамплитудных сбросов, смещение рудного тела в крыльяз которых превышает 3-5 м.

Общие представления о напряженно-деформированном состоянии глу боко залегающих рудных массивов блочного строения и основные принципы защиты образуемых в таких условиях выработок от негативных 1ро явлений горного давления сформулированы в исследованиях Е.И.Шемякина, М.В.Курлени, И.М.Петухова, П.В.Егорова, В.Н.Опарина, Д.М.Бр® никова, Н.Ф.Замесова, В.Д.Палия, С.Н.Попова, И. М. Ватутиной, Г.И£ог-данова, И.И.Айнбиндера, А.П.Тапсиева и других авторов. Основным спо собом защиты очистных выработок в условиях Октябрьского месторождения является сооружение по верхнему контакту рудного тела сплошное опережающего защитного слоя путем проходки и закладки параллельных выработок. Эта операция трудоемка, сдерживает темп очистной вышки

Передовые выработки защитного слоя проходятся в самых тяжелых геомеханических условиях и в наибольшей степени подвержены, разрушениям.

На удалении от крупноашшиудннх тектонических разрывов, при движении фронта отработки в направлении падения мелких природных крутонаклонных трещин преобладающей системы, то есть на западном фланге выемки, горное давление в динамических формах проявляется чаще, но на меньших по протяженности участках передовых забоев, чем на восточном фланге, при движении фронта навстречу падения этих'трещин.

Проведение и поддержание передовых выработок при приближении фронта отработки к крупно амплитудному сбросу на расстояние менее 30-40 м является особенно опасным. Если подход к нарушению осуществляется со стороны лежачего крыла динамическим разрушениям в форме шелушения или интенсивного заколообразования подвергается практически каждая передовая выработка до тех пор, пока фронт не достигнет сброса. Движение на нарушение со стороны висячего крыла нередко сопровождается внезапными крупномасштабными разрушениями передовых забоев. Вблизи тектонических разрывов недостаточной устойчивостью обладают и очистные выработки, создаваемые под искусственным массивом защитного слоя.

Совершенствование защитной выемки в настоящее время связывается со 'снижением объемов тупиковой проходки опережающих выработок не--большого сечения и повышением скорости их проведения. Однако, вследствие недостаточной изученности закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния нарушенного сбросами и мелкими природными трещинами горного массива в зоне влияния выработанной полости, применяемые схемы защитной вышки не всегда безопасны и имеют ограниченную область применения.

Таким образом, в решении проблемы повышения эффективности и безопасности опережающей надработки залежи Октябрьского месторождения на первый план выдвигается необходимость исследований геомеханической обстановки, в которой производится добыча полезного ископаемого .

Во второй главе приводятся материалы исследований процессов деформирования и нагружения призабойных частей нарушенного мелкими природными трещинами массива, выполненных в натурных условиях Октябрьского месторождения в зонах влияния ориентированных в одном

направлении забоев одиночных подготовительных.выработок и создаваемой очистными работами полости.

Исследования включали измерения деформаций горных пород с помощью станций глубинных и контурных реперов, визуальные обследования стенок скважин с использованием прибора РЕП, сопоставление фак-тичёских и проектных размеров поперечного сечения передовых штреков защитного слоя по данным маркшейдерских фотопланиметрических съемок.

В процессе подвигания забоя одиночной подготовительной выработки в 1,0-1,5 м от контура в западном боку и западной части кровли в направлении поперек плоскости обнажения наблюдались деформации растяжения. В течение 12 мес. величины относительных горизонтальных растяжений в западном боку составляли 1,0-4,0 х-Ю-3; вертикальные растяжения в западной части кровли за 15 сут. достигли 140 мм. Одновременно с этим в восточном боку и восточной части кровли происходило сжатие. Относительные величины горизонтальных сжатий в восточном боку - (-10,0)-(-12,0) х 10"^; вертикальные сжатия в восточной части кровли - 50 мм (рис. 1,а,б). Среднее значение отклонения фактического контура от проектного со стороны западного бока одиюч-ной выработки 0,5 щ восточного - 0,38 м.

В зоне влияния очистных работ на интервале порядка 12-20 м впереди фронта защитной выемки в вертикальном направлении в течение 18-22 мес. наблюдались знакопеременные деформации (рис. I в,г). Периодичность смены знака согласуется с цикличностью взрывной отбойки. При движении фронта навстречу падения трещин преобладающей системы (восточный фланг отработки) отмечается общая тенденция нарастания сжатий. На западном фланге, при падении трещин по ходу движения фронта, устойчивого роста деформаций не отмечено. На западном фланге относительные вертикальные растяжения в кровле забоя передовой выработки защитного слоя на интервале 1,0-2,0 м от её контура за 37 сут. наблюдений превысили 190,0 х Ю-4. В аналогичных условиях на восточном фланге получены сжатия (до -4,0 х Ю-4). На обоих рангах в горизонтальном направлении - поперек фронту отработки - на интервале 1,0-2,0 м от боковых частей контура передовых выработок в течение 1-2 мес. с момента их образования до 8,0-340,0 х Ю-4 прогрессируют деформации растяжения, когда трещины падают от обнажения (западные бока), и до(-20,0)-(-23,0) х Ю-4 - деформации сжатия, если трещины падают на обнажение (восточные бока) (рис. I д,е).

ьоаол СтЛ

б

ЗДПМ5

ВОСТОК

Рис. I. Деформирование пород у контура одиночной выработки (в,< и впереди фронта защитной выемки (в-е)

После 36 сут. с момента проходки передовой выработки происходит раскрытие трещин, которые расположены впереди фронта отработки в 3,2-3,5 м от боковой части контура и падают от обнажения (западный бок). В восточном боку этот эффект отсутствует.

На обоих флангах величина прихвата пород за проектной границей в восточных боках передовых выработок возрастает от 0,1-0,5 м до 1,0-1,5 м при увеличении периода времени (Т) между моментами проходки данной и соседней к ней предыдущей выработками от 0,5 до 12 мес. Отклонение от проектного положения западных боков минимально (0,5-0,8 м) при Т=3-6 мес. С увеличением и уменьшением Т относительно этих значений выход за проектный контур западным боком возрастает до 1,0-1,2 м. Частота динамических проявлений горного дав-, ления в передовых забоях увеличивается на обоих флангах с увеличением Т от 0,2-0,5 до 12-15 мес.

Полученные данные указывают на го, что у западной части контура создаваемой полости краевая часть массива пород вследствие природной нарушенности при деформировании проявляет податливость и по условиям нагружения приближается к состоянию одноосного сжатия. Чао тые, мелкомасштабные разрушения передовых забоев западного фланга - результат статического действия опорного давления. У восточной части контура происходит объемное нагружение пород краевой части. Этот факт, а также периодичные, масштабные разрушения передовых забоев восточного фланга объясняются прогибами и осадками формирующейся над выработанной полостью породной консоли.

Вместе с тем на обоих флангах отработки с каждым циклом подеи-гания фронта в течение 5-6 мес. с момента проходки очередной передовой выработки в условиях неравномерно приложенной нагрузки краевая часть проявляет свойство податливости. Слагающие её элементарные блоки перемещаются с запада на восток - навстречу падения трещин преобладающей системы. Это способствует снижению прихвата пород восточными боками вновь проводимых передовых выработок и увеличению прихвата их западными боками. Увеличение частоты динамических проявлений горного давления и величины прихвата пород при Т более 6 мес. означает, что в следующей временной фазе нагрузки реализуются уже в упругих деформациях и разрушениях; проходка и поддержание выработок в краевой части пород становятся опасными.

В третьей главе цредставлены исследования напряженно-деформи-

а

5

Номер реперд

51 5<1 56 5» 510 511

|4.0?.&5

й.05.66

6.41.$?

Й.06.&9

а.оз.а'! as.os.66 г. 06.&

S5.Q7.89

Номер реперл 61 62 63 64 65 66

г

«м

I серая изнеренцй 5 серия'

М* г1 1 5'} V"! Номер скбАжины

Рис. 2. Участки наблюдений за сдвижением пород (а,б) и

графики оседаний С»,г;, участок измерений напряжений Сд) и полученные результата Се) -выработки, созданные до начала измерений* ел? -выработки, обра-зованнне в процессе наблсдении за сдвижением;

- выработки, образованные до второй серии измерений напряжений)

рованного состояния массива горных пород в крыльях крупноамплитудных сбросов в зоне влияния горных работ. Действующие в рудном массиве напряжения измерялись методом разгрузки торца керна и методом косвенной оценки - по разделению керна на диски; вертикальные и горизонтальные деформации - с помощью станций глубинных реперов; сдвижение налегающей толщи - методом геометрического нивелирования. Изменение плотности горных пород оценивалось методом электрометрии. Состояние выработок определялось при визуальных обследованиях обнажений.

Установлено, что приближение фронта сплошной отработки к сбросу ближе чем 30-40 м со стороны лежачего крыла сопровождается раскрытием берегов тектонического разрыва в рудном теле на величину 7-12 мм. Подработанная часть налегающих пород вслед за подвиганием фронта со скоростью до 6,0-8,0 мм/мес. оседает на выработанную полость с опережением по отношению к неподработэнной части налегающих пород лежачего крыла. За 4 года опережение достигло 120-190 мм (рис. 2 а,в). Краевая часть рудного массива между фронтом отработки и сбросом в течение всего периода наблюдений (8 мес.) испытывает в вертикальном направлении знакопеременные деформации от (-2,8x10"^) до 1,3x10"^. Вертикальные сжимающие напряжения составляют здесь 24-47 МПа, что на 10-12 МПа выше горизонтальных, действующих перпендикулярно фронту. В горизонтальном направлении в течение 8-ми мес. отмечается рост деформаций растяжения до 2,7x10-4. При приближении фронта отработки к сбросу на такое же расстояние со стороны висячего крыла раскрытия тектонической трещины не наблюдалось. Подработанная и неподработанная части толщи налегающих пород в висячем крыле сброса медленно, как одно целое, с соизмеримыми скоростями, составляющими 2,1-0,7 мм/мес., за 5 лет сместились на 40-26 мм вниз относительно лежачего крыла (рис. 2 б,г). Горизонтальные сжимающие напряжения между фронтом и сбросом составляют 24-32 МПа, и на 20-25МПа превышают вертикальные. Рудный массив испытывает нарастающие деформации сжатия в перпендикулярном фронту горизонтальном и вертикальном направлениях, которые достигли соответственно (-3,0x1О-4) за 8 мес. наблюдений и (-8,3x1О"4) за 23 мес.

Следовательно, при приближении фронта сплошной выемки к сбросу со стороны лежачего крыла краевая часть горного массива теряет связь с подрабатываемой толщей и породами, расположенными за плос-

костью нарушения, разуплотняется на выработанную полость. Передовые забои разрушаются под действием статических опорных нагрузок. При приближении фронта к сбросу со стороны висячего крыла подработанная часть налегающей толщи сохраняет связь с неподработанной частью. Зависание образующейся над выработанной полостью консоли способствует объемному нагрукению пород впереди фронта. В этом случае внезапные разрушения передовых выработок связаны со скачкообразной осадкой налегающей толщи, динамичной лригрузкой рудного массива медду фронтом и сбросом.

Возможность заблаговременной выемки запасов в крыльях крупноамплитудного сброса без сооружения защитного слоя по плоскости тектонического разрыва проверялась с помощью промышленных экспериментов на двух опытных участках месторождения. Надработка рудного тела производилась одновременно в лежачем и висячем крыльях с образованием пересеченного тектоническим разрывом целика.

При пролетах надработки в лежачем и висячем крыльях соответственно 24 и 36 м происходит кратковременное скачкообразное сжатие породного и рудного массивов в районе целика над и под плоскостью сброса в вертикальном направлении. Приращение относительных деформа-,ций сжатия составило 0,1-25,0 х Ю-4. Этот период длился I мес. и сопровождался локальными разрушениями защитных выработок у нарушения. После этого наблюдалось восстановление до состояния, предшествующего сжатию. Величины электросопротивления рудной части целика увеличились на 20-40 х 10~^0м.м. Максимальные сжимающие напряжения снизились здесь на 20-30$ от исходных, замерявшихся на начальном, этапе развития работ (рис. 2 д,е). Однако разгрузки рудного массива в целике до безопасного уровня не произошло. Отработка запасов была продолжена под защитным слоем. У плоскости сброса очистная вышка цроизводилась в последнюю очередь. При этом подработанные породы крыльев оседали последовательно - ускоренное оседание одного крыла сопровождалось замедлением в сдвижении другого. Динамических проявлений в очистных забоях не отмечалось. Из кровли очистной выработки, создаваемой в лежачем крыле в 8-12 м от сброса, имело место обрушение закладки защитного слоя.

Таким образом, предварительная выемка запасов в крыльях крупноамплитудного сброса в принципе обеспечивает снижение опасности горных ударов. Отработка тектонически нарушенных участков залежи может

осуществляться без сооружения защитного слоя над той частью рудного тела, которая граничит с налегающей толщей по плоскости тектонического разрыва.

В четвертой главе даны результаты разработки технологических схем разгрузки рудной залежи.

Математическим моделированием с помощью метода конечных элементов, а также промышленными экспериментами в условиях шахты 2 рудника "Таймырский" показано, что в процессе развития горных работ на ненарушенных сбросами участках залежи увеличение ширины временных ленточных целиков между выработками защитного слоя с 4 до 8 м позволяет снизить уровень действующих в целиках вертикальных сжимающих напряжений на 17-25^ и, соответственно, их удароопасность, сократить объем профилактического бурения в целики разгрузочных скважин даже в том случае, когда ширина выработок защитного слоя с 4 м увеличена до 8 м. Пролет выработанного пространства, при котором не требуется бурение разгрузочных скважин увеличивается в сравнении с традиционными порядками отработки на ЗО-гбО м и составляет не менее чем 80-100 м.

Разработка технологии защитной выемки в крыльях крупно амплитудного сброса, в которой рудный массив, граничащий с налегающими породами по плоскости нарушения, остается ненадработанннм, выполнялась с помощью численного моделирования методом конечных элементов. При углах падения сброса от 90 до 75° сооружение секций защитного слоя по верхнему контакту залежи одновременно в лежачем и висячем крыльях приводит к разгрузке от вертикальных сжатий пересеченного нарушением межсекционного целика до безопасного уровня независимо от соотношения вертикальных и горизонтальных напряжений в исследуемом районе в исходном состоянии. Разгрузка от горизонтальных сжатий не происходит. Если в исходном состоянии в районе сброса преобладают вертикальные напряжения сооружение секций приводит к увеличению касательных и снижению нормальных усилий в плоскости нарушения в целике, что делает вероятным взаимный сдвиг пород крыльев. После сдвига происходит дальнейшая разгрузка целика от вертикальных сжатий. В сравнении с состоянием до сдвига они снижаются примерно в 1,5 раза; в сравнении с исходными - в 3 раза. Горизонтальные сжимающие напряжения при этом не уменьшаются. Введение в расчетную схему вертикальной разрезки залежи под защитным слоем лежачего крыла обес-

печивает необходимую разгрузку от вертикальных и горизонтальных сжатий того участка рудного тела, который расположен у разрезки. После 1этого выемка запасов в межсекционном целике без надработки и без опасности горных ударов может осуществляться путем подвигания фронта очистных работ от разрезки н сбросу независимо от соотношения сжимающих налряженйй в исходном состоянии при углах падения сброса от 45 до 90°, что согласуется с результатами промышленных экспериментов.

Определение причин обрушений закладки в очистные выработки, создаваемые под защитным слоев вблизи тектонического разрыва, и безопасной выемки руды в крыльях крулноашхлитудного сброса производились на основе инструментальных и визуальных наблюдений на пяти участках шахтных долей месторождения с пятью различными порядками развития горных работ. Инструментальные наблюдения включали измерения величин сдвижения подрабатываемых пород методом геометрического нивелирования, а также измерения деформаций искусственного массива с помощью станций глубинных реперов.

Установлено, что на удалении до 20 м от сброса очистные выработки теряют устойчивость в случае опережающего оседания подрабахы-, ваемых пород одного крыла сброса относительно пород другого. Обрушения закладки происходят именно в том крыле, в котором отмечается опережающее оседание. Под оседающей с опережением толщей пород имеет место ускоренный рост деформаций сжатия закладочного массива за-) щитного слоя в вертикальном направлении. В 4 м от плоскости сброса : относительные деформации сжатия за 13,5 мес. достигли (-^СЬсКГ4), что в 3 раза больше, чем в 8 м от нарушения. Обрушения закладки в очистные выработки являются следствием взаимной подвижности подрабатываемых пород крыльев и неравномерной пригрузки ими закладочного массива.

Сооружение защитного слоя одновременно в лежачем и висячем крыльях сброса с последующим развитием очистных работ под искусственным массивом одновременно с обеих сторон от нарушения или начиная с висячего крыла характеризуются замедленным сдвижением подрабатываемой толщи (0,9-2,0 ът/мес. в течение 35,5-41 мес.) с взаимными чередующимися опусканиями пород крыльев на величину до 55 ым. Суммарные объёмы обрушений составили 270-1250 м^. Взаимные перемещения пород крыльев протекают с их расклиниванием и последующим

преодолением сил распора весом подрабатываемой толщ.

При нацработке залежи сначала в одном крыле с последующим продолжением работ под созданным искусственным массивом и в защитном слое другого крыла, подрабатываемые в первую очередь породы в течение 39,5-41,5 мес. со скоростью до 2,7 мм/мес. оседают с нарастающим опережением по отношению к породам, подрабатываемым во вторую очередь, которое увеличивалось до 50-62 мм. За счет возникающего при этом распора ограничивалась подвижность пород крыла сброса, подрабатываемых во вторую очередь. Скорость оседания здесь не превышала 1,4 мм/мес. Объёмы обрушений закладки при такой последовательности отработки 150-280 м .

Безопасным порядком развития горных работ является надрабогка залежи одновременно в лежачем и висячем крыльях и последующая вышка руды под закладкой, начиная с лежачего крыла. В этом случае расклинивание пород крыльев не происходит. Они оседают быстро, с близкими скоростями (2,4-3,0 мм/мес. в течение 38 мес.), с сохранением постоянного опережения в оседании пород лежачего крыла в 20 мм, которое образуется после выемки запасов первой очистной выработки под защитным слоем лежачего крыла. Очистные выработки не обрушаются.

Полученные результаты легли в основу разработанного способа защитной выемки с образованием временных широких целиков. Целик с шириной, кратной ширине очистной выработки, образуется между выработанными полостями таким образом, чтобы он был пересечен искусственно созданной плоскостью ослабления, или природной - тектоническим разрывом (рис. 3). С увеличением размеров выработанных полостей происходит разрушение массива в плоскости ослабления. Целик разгружается от сжимающих напряжений и приобретает необходимую степень податливости. После этого запасы полезного ископаемого в целике вынимаются очистными выработками. Экономический эффект достигается за счет снижения объема проходки защитных выработок небольшого сечения. Способ защищен авторским свидетельством и нашел применение на рудниках месторождения при выемке тектонически нарушенных участков залежи. Полученный в 1987-90 г.г. эффект составил .245 тыс.руб.

Рис. 3. Способ защитной выемки с формированием

ослабленных целиков (I - целик; 2 - плоскость ослабления; 3 - выработанное пространство; 1,11 - очередность отработки запасов)

ОСНОВНЫЕ ЖВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В работе дано новое реиение актуальной научной задачи геомеханического обоснования технологических схем защитной выемки ударо-опасных массивов блочного строения с учетом выявленных впервые закономерностей их нагружения и дефэрмирования.

Основные выводы и рекомендации сводятся к следующему.

1. В технологии предварительного возведения бетонного слоя по верхнему контакту пологой мощной удароопасной рудной залежи на глубинах 1000-1500 м при пролетах выработанного пространства до 100 м увеличение ширины передовых выработок и ширины целиков мевду ними с 4 до 8 м обеспечивает исключение необходимости разгрузки целиков 3£ счет снижения дейсгвущих в них вертикальных сжимающих усилий на 17-25$ и увеличение скорости наработки залежи в 1,3 раза.

2. Период времени мевду проведением двух соседних передовых штреков защитного слоя в нарушенном крутонаклонными трещинами массиве горных пород после разрезки пологой удароопасной залежи на вс! мощность не должен превышать 6 месяцев. При большей продолжитель-

ности этого периода возрастает опасность динамических разрушений и увеличивается сечение выработок за проектные границы до 1,5-1,8 м.

3. С целью обеспечения равномерного движения подрабатываемых пород и устойчивости обнажений искусственного массива развивать горные работы в зоне геологического сброса с углом падения > 45° рекомендуется путем возведения защитного слоя одновременно по обе стороны нарушения и поел едущей выемки надработ энных запасов, начиная с лежачего крыла. Другие порядки надработ*"? залежи и извлечения запасов под защитным слоем характеризуются взаимными перемещениями налегающих пород крыльев разрыва на величины до 50-60 мм и обрушениями закладки в очистные выработки объемом до 800 м^.

4. Отработка пологой рудной залежи расходящимися фронтами от крутопадающего сброса приводит к разгрузке участка рудного массива под плоскостью тектонического разрыва. Извлекать этот участок следует в последнюю, очередь без предварительной надработки, при этом опасность горных ударов минимальна. Заблаговременная выемка запасов в райойе крупного сброса рекомендуется и как способ предотвращения удароопасности, и как способ сокращения объемов трудоемкой проходки при ведении горных работ на тектонически нарушенных участках залежи.

5. В удароопасном массиве, нарушенном крутопадающим сбросом или мелкими параллельными крутонаклонными трещинами движение фронта защитной выемки к сбросу со стороны лежачего крыла или в направлении падения трещин сопровождается относительно частыми мелкомасштабными динамическими разрушениями типа шелушения и заколообразова-ния, протекающими под воздействием на краевую часть массива статических опорных нагрузок. Защищать передовые забои следует путем создания впереди фронта горизонтальных разгрузочных щелей.

6. Выемка защитного слоя в направлении навстречу падения сброса или мелких трещин сопровождается зависающей породной консоли и разрушениями передовых выработок при динамической осадке консоли на выработанное пространство. Предотвратить опасность внезапных проявлений горного давления рекомендуется снижением возникающих в подрабатываемой толще сил горизонтального распора путем принудительной посадки пород на закладочный массив.

7. Разработанный способ защитной выемки удароопасного массива с формированием широких-ленточных целиков, пересеченной природной или искусственно созданной крутонаклонной плоскостью ослабления

обеспечивает повышение безопасности и эффективности горных работ и рекомендуется как основной при отработке Октябрьского месторождения.

Основные положения диссертации изложены в следующих опубликованных работах:

1. Совершенствование технологических схем сооружения защитных слоев при выемке пологопадакщнх рудных залежей. ФШР1Ш,-1990.-№ 3. - с. 107—III (соавторы А.П.Тапсиев, В.А.Редькин, И.С.Селяев).

2. Напряженно-деформированное состояние призабойного массива с тектоническим нарушением. ФГПР1Ж,-1991.-й 2,- с. 3-9 .(соавторы М.В.Курленя, А.П.Тапсиев).

3. Геомеханическое обоснование камерно-целиковых порядков выемки защитного слоя. ФТПРШ,-1991.-й 4,- с. 3-II (соавторы М.В.Курленя, В.М.Серяков, А.П.Тапсиев).

4. Выбор рациональной последовательности выемки руды в крыльях сброса. ФТПРДИ,-1991.-Л 5.-е. I07-II3,

5. A.c. 1350350 (СССР) МКИ Е 21 С 41/06. Способ создания искусственного перекрытия. Ш.-1987.- Je 41. (соавторы А.П.Тапсиев, В.А.Редькин, А.К.Самусенко, Б.Ф.Федоренко).