автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Изыскание эффективных способов добычи руд на глубоких горизонтах Жезказганского месторождения

На правах рукописи

УДК 622.274.1: 273.217

ОД

МАЛЫШЕВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

ИЗЫСКАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ ДОБЫЧИ РУД НА ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТАХ ЖЕЗКАЗГАНСК0Г0 МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Специальность 05.15.02 "Подземная разработка месторождений

полезных ископаемых"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

- г -

Работа выполнена в АО "Кезказганцветмет" и Московской государственной геологоразведочной академии.

Научный руководитель: докт.техн.наук, профессор Ворщ-Компони-ец В.И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Куликов В.В.,

канд. техн.наук, доцент Боровков Ю.А.

Ведущее предприятие - институт ВИОГЕМ.

Защита состоится У 199£ г. в 13> часов на заседании

диссертационного совета Д.053.20.01 при Московском государственном открытом университете по адресу: 129805, г. Москва, ул. Павла Корчагина, 22, в ауд. 408.

С диссертацией модно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного открытого университета.

Автореферат разослан 199$" ■

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ДИССЕРТАЦИОННОГО СОВЕТА, докт.техн. наук, профессор

ЗАХАРОВ Ю.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В последнее время в Жезказгане на одно из первых мест выдвигается проблема отработки запасов в условиях проявления динамических форм горного давления. С наибольшей остротой она проявилась в условиях Акчий-Спасского рудника. Обычно изменение геомеханической обстановки на месторождении (руднике) связывается с понятием глубокие горизонты, под которыми следует понимать не только простое увеличение глубины горных работ, но и резкое осложнение проявлений горного давления, заставляющее искать новые решения в области технологии.

Первые глубокие горизонты в Жезказгане наблюдались на глубинах 150-200 м, когда резко возросло давление на междукамерные целики и для оптимизации потерь полезного ископаемого была использована камерно-столбовая система с барьерными целиками. В настоящее время в Жезказгане наблюдаются признаки вторых глубоких горизонтов, связанных не только с увеличением глубины, но и с синклинальным строением Акчий-Спасского района. Вторые глубокие горизонты характеризуются высокими значениями естественного поля напряжений в массиве и в связи с этим возникновением динамических форм проявления горного давления.

Ведение горных работ в удароопасных условиях вызвало ряд проблем технического, социального и психологического характера. В первую очередь возникли проблемы управления состоянием массива и приведением его в ударобезопасное состояние при очистной выемке. Поэтому одной из актуальных проблем отработки Жезказганского месторождения в настоящее время является изыскание способов ведения камерно-столбовой системой очистных работ в удароопасных условиях на глубоких горизонтах Жезказганского месторождения.

Целью работы является создание способов безопасной разработки Жезказганского месторождения камерно-столбовой системой в условиях проявления динамических форм горного давления.

Идея работы заключается в использовании управления состоянием массива и конструкцией систем для создания безопасных и эффективных способов выемки полезного ископаемого камерно-столбовой системой.

Задача исследований заключается в разработке методики технологических мероприятий для снижения удароопасности очистных работ в условиях Жезказганского месторождения.

Методы исследований включали анализ существующих отечественных и зарубежных способов разработки месторождений камерно-столбовой системой, изучение физико-механических свойств горных пород,натурные наблюдения за деформациями элементов системы разработки, математическое моделирование механических процессов, происходящих при отработке месторождения, промышленные эксперименты, технико-экономический анализ.

Научные положения, защищаемые автором:

- установлено, что характер напряженного состояния нетронутого массива в Акчий-Спасском районе связан с его синклинальным строением;

- установлено, что на формирование возможных очагов проявления динамических форм горного давления в очистных выработках оказывают существенное влияние направление и форма фронта очистных работ;

- установлено, что в настоящее время в Жезказгане при проведении очистных работ удароопасными породами в кровле камер являются красные песчаники, так как уровень напряжений на существующих глубинах недостаточен для динамического разрушения более прочных (серых) песчаников;

- установлены зависимости снижения нагрузок на междукамерные целики от абсолютных величин искусственной податливости;

- установлена связь между прочностью междукамерных целиков, количеством предварительно-напряженных анкеров и их предварительным натяжением.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается представительным объемом инструментальных наблюдений, использованием общепризнанных геомеханических моделей горного массива, применением для расчетов апробированных методик, удовлетворительной сходимостью результатов с данными инструментальных наблюдений, а также широким внедрением результатов исследований.

Научное значение работы заключается в установлении основных закономерностей, происходящих в массивах и конструкциях систем разработки, управляемых инженерными мероприятиями по снижению удароопасности.

Практическое значение работы заключается:

- в определении степени удароопасности серых песчаников Жезказ-ганского месторождения;

- в разработке способов воздействия на междукамерные целики с целью приведения их в неударное состояние;

- в создании схем безопасного извлечения запасов камер при уда-роопасных кровлях.

Реализация работы. Разработанные технические решения использованы в Указаниях по безопасному ведению горных работ на участках Жезказганского месторождения, склонных к горным ударам (Алматы-Жез-казган, 1993), в Методических указаниях по наблюдениям за состоянием выработанного пространства (Караганда-Жезказган, 1996) и во Временных правилах охраны сооружений Жезказганского месторождения (Кара-ганда-Жезказган, 1996).

В результате использования мероприятий, разработанных в диссертации, в панели 5 горизонта - 20 м шахты 65 из потерь было возвращено более 5 тыс. т. меди со стоимостью конечного продукта около 10 млн.долл.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались на научных конференциях Московской государственной геологоразведочной академии (Москва, 1995, 1996, 1997 гг.), на П Всероссийской конференции "Управление деформированным состоянием массива скальных пород при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений" (Екатеринбург, 1996).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 научных статьях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 17 таблиц, список литературы - 153 наименования.

- б -

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Главной тенденцией развития горных предприятий является понижение горных работ, ведущее к резкому ухудшению горно-геологической обстановки. В условиях Жезказганского месторождения ухудшение условий, помимо прочих последствий, привело к проявлению динамических форм горного давления, в том числе и горных ударов. Горные удары, представляя собой неуправляемые процессы мгновенного разрушения пород, приводят к серьезным сбоям в технологическом процессе, зачастую с человеческими жертвами.

Опыт работ отечественных и зарубежных горнорудных предприятий свидетельствует о том, что серьезная опасность проявления горных ударов начинает проявляться, как правило, с глубины 400-500 м.

В изучение проблем проявления динамических форм горного давления большой вклад внесли С.Г. Авершин , Д.М. Бронников, И.М.Петухов, П.В.Егоров, А.Н. Ставрогин, A.A. Козырев, A.M. Линьков, И.Т. Айтматов, И.М. Батучина, В.Б. Дьяковский, В.А. Мансуров, С.В.Кузнецов, C.B. Залясов, Т.М. Ермеков и другие.

Освоение Акчий-Спасского района Жезказганского месторождения подтверждает своевременность решения задачи оценки удароопасности руд и вмещающих пород и разработки мер по локализации удароопасных ситуаций. В Жезказгане динамические формы проявления горного давления в одиночных выработках начали проявляться сравнительно давно. Особенности их протекания и методы борьбы с ними достаточно хорошо разработаны сотрудниками Жезказганского горно-металлургического комбината, Института горного дела им. Д.А. Кунаева PK и Институтом физики и механики горных пород Киргизии достаточно хорошо разработаны, то проблемы горных ударов при очистной выемке практически не решались и остро встали в последние годы перед наукой. При этом надо полагать, что основными объектами очистных выработок, в которых могут возникнуть горные удары, являются целики и кровля камер.

На основании опыта работы шахт и рудников Жезказганского месторождения, визуальных обследований мест разрушения и вывалов на контурах выработанного пространства и целиках, статистического анализа геомеханических параметров в качестве рабочей гипотезы были использованы следующие положения:

- локализация динамических форм проявления горного давления в

районе Акчий-Спасского рудника обусловлена особенностями геолого-структурного строения данного участка;

- длительная эксплуатация месторождения камерно-столбовой системой и закладкой выработанного пространства привела к перераспределению горного давления на периферийные части рудного шля;

- высокие хрупкие свойства пород Жезказганского месторождения предопределяют их склонность к проявлению динамических форм горного давления.

На основании проведенного выше анализа применяемых систем разработки, геологического строения месторождения и особенностей протекания геомеханических процессов на больших' глубинах Жезказганского месторождения, характеризуемых тем, что основной системой разработки в Жезказгане является камерно-столбовая, геологотектоническое строение обусловило большие значения природного поля напряжений и в ряде районов месторождения начали активно проявляться динамические формы горного давления.

Основные цели диссертационной работы должны явиться следующие:

1) изучение свойств пород на удароопасность и установление показателей удароопасности.

2) изучение природного поля напряжений и влияния на него строения месторождения.

3) изыскание способов отработки камерно-столбовой системой, обеспечивающей безопасность горных работ в условиях проявления динамических форм горного давления.

Удароопасные ситуации возникают лишь при определенном сочетании физико-механических свойств горных пород (их хрупкости) и уровнем напряжений, накопленных в массиве или конструкции системы разработки. Оценка хрупкости пород, выполненная совместно с Институтом физики и механики горных пород Киргизии, а также исследования ИГД им. Д.А. Кунаева РК показали высокую склонность пород Жезказганского месторождения к удароопасности. Изучение природного поля напряжений в условиях Акчий-Спасского района Жезказганского месторождения, проведенное ИГД им. Д.А. Кунаева РК показало высокие значения напряжений. Причем вертикальные главные действующие напряжения оказались на 50-65% выше, чем давление вышележащих пород, что вызывало у ряда авторов некоторое сомнение в достоверности выполненных измерений.

Наш анализ данной ситуации показал, что высокие значения при-

родного поля напряжений могут быть объяснены синклинальным строением рассматриваемого района Жезказганского месторождения. В.В. Жуков в своих работах, выполненных при помощи численных методов, показал, что за счет синклинального строения массива действующие напряжения повышаются в 1,3-1,5 раза по сравнению с горизонтальным залеганием слоев. Таким образом, высокая хрупкость пород и значительные напряжения, действующие в массиве, предопределили удароопасность Ак-чий-Спасского района Жезказганского месторождения. Это положение хорошо иллюстрируется статистическими данными о проявлениях динамических форм горного давления в выработках Акчий-Спасского района за 1990-96 гг. (табл.1).

Таблица 1

Наименование выработок Формы горного давления

шелушение заколооО-разование стреляние толчки

Горно-капитальные 59 46 41 4

Подготовительные 52 38 28 1

Очистные камеры 4 17 1 -

Стволы шахт - 6 9 78

Данные этой таблицу показывают не только наличие динамических форм проявления горного давления в Жезказгане, но и преимущественное их проявление в подготовительных и горно-капитальных выработках, в очистных же выработках, во-первых, случилось всего лишь 7% событий, во-вторых, проявление горного давления было только в виде начальных форм: шелушения и заколообразования. Объяснение последнему следует искать в том, что в рассматриваемом районе очистные работы на фоне горно-капитальных и подготовительных только начинают разворачиваться. В дальнейшем же надо полагать, что основной удельный вес случаев проявления динамических форм горного давления будет относиться к очистным выработкам.

В очистных выработках Жезказганского месторождения, с точки зрения удароопас.ности, наибольший интерес представляют междукамерные и другие целики и кровля камер. Как показали исследования И.М. Пету-

хова, в целике происходит горный удар, если выполняются одновременно следующие три условия:

1) нагрузка на целик достигает предельного значения, равного его максимальной несущей способности;

2) нарушается условие устойчивости, заключающееся в том, что энергия, освобождающаяся из вмещающих пород, больше той, которую надо затратить на разрушение целика;

3) высокий уровень энергии, запасенной в породах и в целике,находится на максимуме несущей способности.

Невыполнение любого из трех приведенных условий исключает возможность горного удара. Нами предлагается снизить состояние ударо-опасности в целике использованием следующих условий: нагрузки на целик не доводить до максимума их несущей способности; горными мероприятиями обеспечить целику высокий уровень несущей способности.

Первое условие может быть осуществлено приданием целику дополнительной (искусственной) податливости, при помощи которой на необходимую величину будет снижена нагрузка и вывод таким образом целика из удароопасного состояния.

Осуществление третьего условия возможно при помощи упрочнения целика предварительно напряженными анкерами (ПНА).

Некоторые вопросы придания междукамерным целикам искусственной податливости довольно хорошо разработаны в трудах Г.Е, Гулевича, В.И. Борщ-Компонийца, В.И. Кравченко, В.Н. Попова. Ими показана целесообразность искусственной податливости разработаны некоторые технологические, установлены закономерности перенесения нагрузок на смежные целики и т.п. Однако не было получено зависимостей, связывающих величину искусственной податливости с изменением нагрузок на целики. Последний вопрос является основным при разработке методики управления состоянием целиков для снижения их удароопасности. Для определения необходимой величины искусственной податливости, создающей на целик заданной нагрузки, было использовано численное моделирование (метод локальных вариаций), использовался алгоритм А.В.Аза-рнова. Моделировался симметричный фрагмент стандартной панели между осями симметрии по центру панели и центру барьерного целика.Точность расчетов составила: линейная 1 м, по напряжениям 0,1 МПа.

Относительное влияние изменчивости основных факторов на геомеханическую ситуацию в околопанельном пространстве выявлено по ре-

зультатам моделирования по плану эксперимента, представленного в табл. 2.

Таблица 2

Номер модели Переменные плана Результаты моделирования

Кб ш Ко Нагрузка на МКЦ.в % к гН Растяжение в кровле, МПа Нагрузка на БД, X к тР

Исходный Ослабленный Исх. Осл. Исх. Осл.

1 3 30 80 40 20 2,1 3,5 125 140

2 3 10 0 141 141 1,6 - 145 -

3 1,5 10 80 105 62 1,2 3,8 150 175

4 1,5 30 0 125 125 2,6 - 100 -

5 2,25 20 40 99 93 1,8 2,2 120 130

Данные табл. 2 наряду с разгрузкой междукамерных целиков показали развитие негативных последствий искусственной податливости.проявляю-щихся в виде повышения опорного давления на барьерные целики и развития растягивающих напряжений в кровле, прилегающей к барьерным целикам, Отмечается весьма значительный эффект снижения нагрузок на податливые целики с небольшой мощностью. Область действительно эффективного использования искусственной податливости с практически незначительными отрицательными последствиями для устойчивости остальных элементов конструкций панели, представляют залежи на участках месторождения с боковым давлением в природном поле напряжений Кб > 1,5 и мощностью залежей 10-20 м.

Моделирование дает лишь приближение связей в системе, предназначенное только для выявления относительной степени влияния учтенных факторов на нагрузки на междукамерные целики и другие показатели геомеханической обстановки при создании податливых внутриланельных опор.

Действительные закономерности в моделируемой механической системе носят более сложный характер. Они восстанавливаются по резуль-

татам моделирования типичных сочетаний значений переменных.

На рис. 1 приведены изменения средней нагрузки на междукамерные целики и коэффициенты концентрации напряжений в барьерных целиках по залежам мощностью 10, 20, 30 м, когда коэффициент бокового давления (Кб) не превышает 1,5. В этих условиях нагрузки на междукамерные целики имеют максимум для залежей мощностью 20 м и понижаются в случае как более, так и менее мощных залежей. - На рис. 2 приведены те же закономерности, но для случая более высокого бокового давления в массиве (Кб =3,0). В этой ситуации исходная нагрузка на междукамерные целики практически обратно пропорциональна мощности залежи, а сопровождающий процесс снятия нагрузок на междукамерные целики ведет к росту коэффициента концентрации напряжений в барьерных целиках в более резкой форме, чем при боковом распоре в массиве, равном 1,5.

Рассмотрение детального распределения нагрузок на междукамерные целики, представленное на рис.3, показывает, что искусственная податливость междукамерных целиков перераспределяет большую часть нагрузки на барьерные целики и междукамерные целики, расположенные в центре панели.

Приведенные исследования позволяют определить необходимую величину искусственной податливости для заданной величины нагрузки на целик. Для этого (см. рис.1 или 2 по заданной величине разгрузки целика по соответствующей кривой (средняя нагрузка на целик) определяется величина снижения модуля пропорциональности целика (ослабление) . В дальнейшем при помопда несложных расчетов вычисляется абсолютная величина искусственной податливости и выбирается способ осуществления искусственной податливости.

Выполнение третьего условия повышения ударобезопасности целиков предлагается осуществить повышением несущей способности установкой предварительно-напряженных анкеров, что должно отождествить условия возникновения горных ударов. Определенный интерес в данной проблеме имеет методика оценки упрочняющего влияния как количества анкеров, так и их предварительного натяжения.

Как показали наши исследования, выполненные численными методами, междукамерные целики, сложенные весьма жесткими и прочными серыми песчаниками в естественных условиях, где природное поле напряжений, обладают резкой асимметрией компонент напряжений и проникающей через целик зон растягивающих напряжений. С течением времени именно

Рис. 1. Зависимости средней нагрузки на МКЦ (а) и концентрации напряжений на БЦ (б) от ослабления МКЦ на залежах различной мощности при коэффициенте бокового давления Кб = 1,5

I

>го юо 100 80 во

40

го о

—__

\\

—----

¿о

40

Ослабление,

Г"

--ЛИ-Юм

-т

---т-зом

во

ш

<0

го

40 6,о

Ослабление, %

в,О

100

Рис. 2. Зависимости средней нагрузки на МКЦ (а) и концентрации напряжений на БИ (б) -от ослабления МКЦ на залежах различной мощности при коэффициенте бокового давления Кб = 3

а) т = го*!

БЦ, МК111 МЩ2 МКЦЗ МКЦ Целили панели

5) т- 20 м

ВЦ МКЦ{ мкцг МКЦЗ МКЦ4

Целики памеле/

РИС. 3.

Изменение нагрузок на целики при увеличении податливости МКЦ панелей на залежах различной мощности

по этим зонам происходят отслоения и постепенное разрушение междукамерных целиков.

Для ликвидации зон растягивающих напряжений и для повышения общей несущей способности междукамерных целиков целесообразно применение предварительно-напряженных анкеров. При моделировании предварительно-напряженные анкера представлялись в целиках узкими зонами материала, имеющего значительно более высокие значения модуля упругости (Епна = (2+3)Е), где Е - модуль упругости серых рудных песчаников. Точность моделирования составила: по напряжения 0,05 МПа, по растяжениям - 0,5 м.

Результаты исследований показали, что эффективность предварительно- напряженных анкеров определяется необходимым уровнем их натяжения, количеством и расположением по высоте целика анкеров. Оказалось, что при предварительном натяжении, равном анкеров 30 т, растягивающие напряжения в целике практически не уменьшаются. Этот факт говорит об неэффективности применения анкеров с небольшими величинами предварительного натяжения. Предварительное натяжение более высокое по величине оказывает положительный эффект. При натяжении 100 т наблюдается полная компенсация растягивающих напряжений. Результаты моделирования воздействия на целик от 1 до 5 рядов предварительно-напряженных анкеров изменяют напряженное состояние целиков. Оказывается, что при расстоянии между анкерами 3-5 м и предварительным напряжением 100 т анкерное крепление целиков позволяет создать в целиках объемное напряженное состояние, что значительно повышает их несущую способность.

Результаты моделирования рассматриваемой ситуации крепления предварительно-напряженными анкерами центральных междукамерных целиков и целиков, расположенных возле барьерных, показаны на рис. 4. Зависимости, приведенные на этом рисунке, показали, что увеличение жесткости целиков за счет их крепления предварительно-напряженными анкерами более эффективно для центральных опор панели (максимально повышает несущую способность целика на 20-22% против 12-13% для фланговых опор), что связано с начальным распределением нагрузок на целики панели, рассмотренным выше. Увеличение количества предварительно-напряженных анкеров на целик приносит заметный положительный

Количество ЛИД поёь/сспе целика

Рис. 4. Прирост несущей способности МКЦ по вертикальной нагрузке при их креплении ПНА

эффект на интервале от 1 до 5 ПНА по высоте опоры, причем применени-предварительного нагружения 4-5 рядов анкеров усилиями до 100т практически полностью компенсирует растягивающие напряжения в теле МКЦ и исключает их разрушение под дополнительной нагрузкой.

Моделирование предварительно-напряженных анкеров на устойчивость внутрипанельных целиков показало, что оптимальной конструкцией крепления является расположение 4-5 рядов предварительно-напряженных анкеров с натяжением до 100 т по высоте целика. Наиболее эффективно применение предварительно-напряженных анкеров для крепления центральных междукамерных целиков панели.

Первые серьезные проявления динамических форм горного давления в кровле произошли при отработке панели 5 горизонта (20 м шахты 65 Южного рудника АО "Кезказганцветмет"). В окончательном варианте панель отрабатывалась камерно-столбовой системой. В кровле панели, за исключением ее восточной части, залегали серые песчаники мощностью до 10 м и крепостью по М.М. Протодьяконову Г = 1^16. В восточной части панели кровля была представлена красными песчаниками крепостью Г = 8-12. Таким образом, отмеченная прочность пород кровли в восточной части панели была на одну треть ниже, чем прочность пород кровли в остальной части панели. Налегающая толща пород сложена чередующимися слоями красных и серых песчаников, доля красноцветных пород составляет 70-75%. С востока и запада панель ограничена флексурами: Второй Петровской и Центральной. Причем, Вторая Петровская флексура, примыкающая к панели 5 с востока, как бы формирует крыло синклинали.

Залегание в кровле панели в ее восточной части красных песчаников с относительно низким пределом прочности и примыкающая к восточному крылу панели флексура, издающая эффект синклинали, должны предопределить в этой части панели более высокую удароопасность пород кровли. Действительно, при отработке западного фланга и центральной части панели в кровле, сложенной серыми песчаниками, динамических форм проявления горного давления не наблюдалось. С переходом же очистных работ на восточный фланг панели стали проявляться стреляния, з результате чего было принято решение об их прекращении очистных работ.

Полное напряжение в кровле при наличии тектонических напряжений

может быть определено по формуле:

бх = бсх + бпрх + бх - 6 (1)

где бсх бпрх бх - нормальные напряжения, возникающие при изгибе кровли при воздействии на нее собственного веса пригрузки и тектонических напряжений; б - тектоническое напряжение. По Н.Г. Ядымову для условий защемленной кровли приведенные выше составляющие ее напряженного состояния могут быть представлены следующим образом:

бх = rlz/4h2; бпрх = glz/4h2; бх = б 2A/ht (2)

где: X = 2,6 т/м3 - объемный вес пород; 1 - пролет кровли; hi - мощность потолочины; g - величина пригрузки потолочины от веса вышележащих пород; Л - максимальный прогиб потолочины от воздействия тектонической составляющей.

Величина пригрузки и максимальный прогиб могут быть определены из выражений:

В = Knh2rH/l; Л = 3(бр + б )l2/16Ehi (3)

где Кп = 0,24; X = 6i = 112 МПа; бр - предел прочности пород на растяжение; h2 ~ высота пригружающего слоя. Согласно (1) условия устойчивости кровли можно записать так:

при б > (бсх + бпрх + 6Х) (4)

бх <МСЖ]

при б < (бсх + бпрх + бх) (5)

бх <[бр]

Из (4) и (5) с точки зрения горных ударов интерес представляет (4),так как в этом случае в кровле проявляются сжимающие напряжения. Если величина напряжения больше определенного предела прочности на сжатие, возможно проявление динамических форм горного давления. Во втором случае в массиве преобладают растягивающие напряжения, но, очевидно, что в их зонах невозможно проявление динамических форм го-

рного давления.

После рассмотрения двух вариантов ориентирования камер в субширотном и субмеридиональном направлениях было установлено, что при ориентировке камер по широте результирующая горизонтальная составляющая напряжений (сжимающих) в кровле 55,9 МПа, что существенно ниже предела прочности серых песчаников на сжатие 86,4 МПа и практически совпадает с аналогичным показателем для красных песчаников (57,6 МПа). Таким образом, при данной ориентировке камер, кровля, представленная серыми песчаниками, должна находиться в устойчивом состоянии, наоборот, кровля, представленная красными породами, находится в предельном состоянии, что должно вести к ее хрупкому разрушению. Этот факт отмечался при проведении очистных работ.

При ориентировке камер по меридиану аналогичные показатели выглядят следующем образом: результирующая составляющая горизонтальных напряжений (растягивающих) в кровле составляет около 6 МПа, что в два раза меньше прочности пород на растяжение серых песчаников и практически совпадает с прочностью на растяжение красных песчаников. В данном случае, при растягивающих напряжениях в кровле не создается условий для возникновения динамических форм проявления, горного давления. Действительно, после нашей рекомендации об ориентировке камер по меридиану очистными работами в восточной часта панели 5 были отработаны законсервированные запасы объемом около 5 тыс.т. меди, что составило реальный экономический эффект около 10 млн долларов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной задачи выбора способов безопасной очистной выемки полезных ископаемых на глубоких горизонтах Жезказганского месторождения, подвергнутых влиянию динамических форм горного давления и основанных на установленных закономерностях изменения состояния конструкции системы разработки под техногенным воздействием.

Основные научные результаты, практические выводы и рекомендации диссертации сводятся к следующему:

1. Синклинальное строение Акчий-Спасского района Жезказганского месторождения определило с одной стороны, значения вертикальной сос-

тавляющей, значительно превосходящие гН, с другой стороны, высокие значения тектонической составляющей общего тензора напряжений, причем главное действующее напряжение (61) совпадает с осью синклинали, ориентированной субмеридионально.

2. Величина главного действующего напряжения (61) по своей величине превосходит половину прочности на одноосное сжатие наиболее слабых хрупких пород Акчий-Спасского района, что предопределило отнесение района к удароопасному.

3. Песчаники Жезказганского месторождения по оценкам коэффициента хрупкости К1 являются хрупкой породой при любой схеме испытаний, причем для "мягкого" нагружения средние значения К1=0,86 несколько выше, чем средние значения Ка=0,79, полученные при "жестком" нагру-жении. Таким образом при мягком нагружении песчаник более склонен к хрупкому разрушению, чем при жестком нагружении.

4. По коэффициенту хрупкости Кг порода также является хрупкой. При среднем значении прочности породы на растяжении 6Р=13,0 Ша среднее значение коэффициента хрупкости по всем испытаниям составляет Кг=26,2.

5. Испытания образцов с постоянной производительностью насоса пресса также показали повышенную склонность породы к хрупкому разрушению, причем в этом случае коэффициенты хрупкости при двух схемах испытаний имеют примерно одинаковое значение.

6. Прочность песчаника Жезказганского месторождения при испытаниях на одноосное сжатие на "жесткой" установке больше,чем при испытаниях на "мягкой" установке в среднем на 20%.

7. Прочность песчаника при скорости деформирования образца 10~4 1/с выше прочности при скоростях 10~5 и 10~б 1/с. Причем при деформировании образца со скоростью 10~6 1/с прочность породы независимо от жесткости испытательной установки незначительно выше прочности песчаника при деформировании со скоростью Ю-5 1/с.

8. Модуль упругости по испытаниям породы на жесткой установке не зависит от скорости деформирования, а на мягкой установке при уменьшении скорости деформирования наблюдается тенденция к его увеличению. При этом средние значения модулей упругости на жесткой установке выше,чем на мягкой в среднем на 15-20% в зависимости от скорости деформирования образца.

9. При мягком нагружении незначительное количество акустических

сигналов появляется при ранней стадии деформирования образца. Интенсивное выделение сигналов акустической эмиссии начинается при напряжении, близком к пределу прочности образца и протекает до полного разрушения.

10. При жестком нагружении наблюдается относительное затишье акустических сигналов почти до напряжений,близких к пределу прочности породы, после чего происходит интенсивное выделение сигналов АЭ.

11. Управление давлением на междукамерные целики возможно путем придания им искусственной податливости разбуриванием или разбурива-нием и взрыванием перемычек между скважинами ■ или шпурами нижней части или почвы целика.

12. Искусственная податливость междукамерных целиков более эффективно снижает нагрузки на внутрипанельные целики в массивах с меньшим боковым давлением. Для их снижения требуется снизить модуль пропорциональности целика в среднем на 40% при К=1,5 и не менее, чем на 607. при Кб=3.

13. При мощности залежей 30 м и боковом давлении в массиве Кб=3 между камерные целики малочувствительны к искусственной податливости.

14. Основная часть нагрузки при создании податливых мёждукамер-ных целиков переносится на барьерные целики и, в меньшей степени, на центральные. Рост нагрузки на барьерные целики особенно значителен при снижении модуля пропорциональности целиков на 60% и более, когда эта нагрузка достигает 1,5-2,0 тН (в зависимости от мощности залежи и коэффициента бокового давления в массиве).

15. Практически линейный характер зависимости нагрузки на целики от их ослабления и устойчивость конструкции панели поддерживаются при снижении модуля упругости не более 60-70%.

16. Повышенной удароопасностью обладают породы кровли, сложенные чередующимися слоями с более высоким и низким значениями прочности на сжатие.

17. При отработке камерно-столбовой системой в условиях удароо-паскых кровель и высоких значений естественного поля напряжений, ориентировка камер (их подвигание) должна быть по наибольшему горизонтальному действующему напряжению.

18. Применение предварительно напряженных анкеров позволяет повысить несущую способность междукамерных целиков не менее, чем в

1,5 раза. При этом применение анкеров позволяет компенсировать развитие растягивающих напряжений и перевести состояние целиков в более устойчивое (всестороннего сжатия).

19. Предварительное натяжение анкеров должно быть высоким 100 и более т. При незначительной величине предварительного натяжения (30т и менее) не возникает обширной зоны компенсации растягивающих напряжений. Размер зоны компенсации по высоте целика изменяется от 1 м при усилии натяжения 30 т до 3 м при усилии 100 т.

20. Увеличение жесткости междукамерных целиков за счет их крепления предварительно напряженными анкерами более эффективно для центральных опор в панели (максимально повышают несущую способность целиков на 20-25% против 12-13% для фланговых целиков), что связано с начальным распределением нагрузок на целики панели.

21. Увеличение количества предварительно напряженных анкеров на целик приносит заметный положительный эффект на интервале от 1 до 5 анкеров по высоте целика, причем применение 4-5 рядов анкеров усилиями до 100 т практически полностью компенсирует растягивающие напряжения в теле целика и исключает их разрушение под дополнительной нагрузкой.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. О динамических формах проявления горного давления на Кезказ-ганском месторождении.//Горный журнал, 1997, 1997, N3 (соавторы Юн Р.Б., Герасименко В.И.).

2. Управление состоянием междукамерных целиков искусственной податливостью. //Маркшейдерский вестник, 1997, N2).

3. Характер обрушений налегающей толщи при повторной разработке Жезказганского месторождения. //Горный журнал, 1996, N11-12 (соавторы Юн P.E., Макаров А.Б., Зайцев О.Н. и другие).

4. Выбор способа управления горным давлением при подготовке флексурных зон. //Сб. Совершенствование технологии горных работ на рудниках Жезказгана, 1995, Жезказган (соавторы Юн P.E., Алипберте-нов М.К.).

5. Оценка геомеханических последствий извлечения запасов междукамерных целиков. //Сб. Совершенствование технологии горных работ на рудниках Жезказгана, 1995, Жезказган (соавторы Юн Р.Б., Герасименко В.И.).

6. Геомеханические процессы при-повторной разработке рудных целиков в зонах обрушений. //Сб. Управление напряженно-деформированным состоянием массива скальных пород при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений, 1996, Екатеринбург (соавтор Макаров A.B.).

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНАЯ АКАДЕМИЯ

УДК 622.274.1: 273.217

Малышев Владимир Николаевич

ИЗЫСКАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ ДОБЫЧИ РУД НА ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТАХ ЖЕЗКАЗГАНСК0Г0 МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Специальность 05.15.02 "Подземная разработка месторождения

полезных ископаемых"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Борщ-Компониец В.И.

Москва, 1997

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В последнее время в Жезказгане на одно из первых мест выдвигается проблема отработки запасов в условиях проявления динамических форм горного давления. С наибольшей остротой она проявилась в условиях Акчий-Спасского рудника. Обычно изменение геомеханической обстановки на месторождении (руднике) связывается с понятием глубокие горизонты, под которыми следует понимать не только простое увеличение глубины горных работ, но и резкое осложнение проявлений горного давления, заставляющее искать новые решения в области технологии.

Первые глубокие горизонты в Жезказгане наблюдались на глубинах 150-200 м, когда резко возросло давление на междукамерные целики и для оптимизации потерь полезного ископаемого была использована камерно-столбовая система с барьерными целиками. В настоящее время в Жезказгане наблюдаются признаки вторых глубоких горизонтов, связанных не только с увеличением глубины, но и с синклинальным строением Акчий-Спасского района. Вторые глубокие горизонты характеризуются высокими значениями естественного поля напряжений в массиве и в связи с этим возникновением динамических форм проявления горного давления .

Ведение горных работ в удароопасных условиях вызвало ряд проблем технического, социального и психологического характера. В первую очередь возникли проблемы управления состоянием массива и приведением его в ударобезопасное состояние при очистной выемке. Поэтому одной из актуальных проблем отработки Жезказганского месторождения в настоящее время является изыскание способов ведения камерно-столбовой системой очистных работ в удароопасных условиях на глубоких горизонтах Жезказганского месторождения.

_ о „

¿С

Целью работы является создание способов безопасной разработки Жезказганского месторождения камерно-столбовой системой в условиях проявления динамических форм горного давления.

Идея работы заключается в использовании управления состоянием массива и конструкцией систем для создания безопасных и эффективных способов выемки полезного ископаемого камерно-столбовой системой.

Задача исследований заключается в разработке методики технологических мероприятий для снижения удароопасности очистных работ в условиях Жезказганского месторождения.

Методы исследований включали анализ существующих отечественных и зарубежных способов разработки месторождений камерно-столбовой системой, изучение физико-механических свойств горных пород,натурные наблюдения за деформациями элементов системы разработки, математическое моделирование механических процессов, происходящих при отработке месторождения, промышленные эксперименты, технике-экономический анализ.

Научные положения, защищаемые автором:

- установлено, что характер напряженного состояния нетронутого массива в Акчий-Спасском районе связан с его синклинальным строением;

- установлено, что на формирование возможных очагов проявления динамических форм горного давления в очистных выработках оказывают существенное влияние направление и форма фронта очистных работ;

- установлено, что в настоящее время в Жезказгане при проведении очистных работ удароопасными породами в кровле камер являются красные песчаники, так как уровень напряжений на существующих глубинах недостаточен для динамического разрушения более прочных (серых) песчаников;

- установлены зависимости снижения нагрузок на междукамерные целики от абсолютных величин искусственной податливости;

- установлена связь между прочностью междукамерных целиков, количеством предварительно-напряженных анкеров и их предварительным натяжением.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается представительным объемом инструментальных наблюдений, использованием общепризнанных геомеханических моделей горного массива, применением для расчетов апробированных методик, удовлетворительной сходимостью результатов с данными инструментальных наблюдений, а также широким внедрением результатов исследований.

Научное значение работы заключается в установлении основных закономерностей, происходящих в массивах и конструкциях систем разработки, управляемых инженерными мероприятиями по снижению удароопас-ности.

Практическое значение работы заключается:

- в определении степени удароопасносги серых песчаников Жезказ-ганского месторождения;

- в разработке способов воздействия на междукамерные целики с целью приведения их в неударное состояние;

- в создании схем безопасного извлечения запасов камер при уда-роопасных кровлях.

Реализация работы. Разработанные технические решения использованы в Указаниях по безопасному ведению горных работ на участках Жезказганского месторождения, склонных к горным ударам (Алматы-Жез-казган, 1993), в Методических указаниях по наблюдениям за состоянием

выработанного пространства (Каратанда-Жезказган, 1996.) и во Временных правилах охраны сооружений Жезказганского месторождения (Караганда- Жезказган, 1996).

В результате использования мероприятий, разработанных в диссертации, в панели 5 горизонта - 20 м шахты 65 из потерь было возвращено более 5 тыс. т. меди со стоимостью конечного продукта около 10 млн.долл.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались на научных конференциях Московской государственной геологоразведочной академии (Москва, 1995, 1996, 1997 гг.), на П Всероссийской конференции "Управление деформированным состоянием массива скальных пород при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений" (Екатеринбург, 1996).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 научных статьях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложена на 1Г5 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 17 таблиц, список литературы - 153 наименования.

ГЛАВА I. ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ И ГЕОМЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЖЕЗКАЗГАНСК0Г0 МЕСТОРОЖДЕНИЯ

1.1. Горно-геологическая характеристика месторождения

Изучение геологического строения Жезказганского месторождения началось в конце 20-х годов и к настоящему времени достаточно хорошо описано во многих работах крупнейших геологов [108,110,113]. Ниже приведены общие горно-геологические характеристики месторождения. Породы месторождения приурочены к осадочному песчано-алевролитовому комплексу. Рудоносная толща Центрального Жезказгана содержит 44 слоя, сгруппированных в 9 рудных горизонтах, и представлена полого-падающими слоями красных и серых песчаников, реже красных и зеленовато-серых алевролитов. Серые песчаники представляют собой плотные разнозернистые породы со слабо выраженной слоистостью. В состав зерен входят кремний, кварц, плагиоклазы кислого ряда и полевой шпат. Цемент серых песчаников полиминеральный (карбонатный и халцедоно-во-хлористый). Красные песчаники, как правило, мелко- и тонкозернистые, по составу обломочного материала близки к серым песчаникам, однако, имеют большее содержание обломков гематита и гидроокислов железа, от присутствия которых частично зависит красный цвет. Цемент красных песчаников чаще глинисто-известковый. Другие литологические разновидности представлены алевролитами красного цвета с размером частиц не более 0,01 мм и конгломератами из обломков пород Жезказ-ганской свиты: окремнелого известняка, кварца, изверженных пород, яшмы, кварцитов и пр.

- б -

Промышленная рудная минерализация зафиксирована на глубинах до 600м. Главным полезным компонентом рудоносной толщи месторождения является медь. Однако, достаточно часто встречаются другие компоненты, позволяющие подразделить руды по вещественному составу: медные окисленные (расположенные вблизи дневной поверхности), медные сульфидные (составляющие 75-80% всех запасов), свинцовые и полиметаллические (имеющие полезные компоненты медь, свинец, серебро, цинк и рений). Чисто медное оруденение приурочено к верхним горизонтам залежей Жезказганской свиты и представлено халъкопиритовыми рудами, в которых борнит и халькозин занимают главное место и образуют на отдельных участках достаточно богатые концентрации. Свинцовая минерализация в виде промышленных скоплений примешивается к медной и образует с глубиной отдельные обогащенные участки. Свинцовая руда содержит галенит, сфалерит и небольшие включения пирита и арсенопирита.

По характеру залегания большая часть рудных тел имеет вид пластовых или ленточных залежей, вытянутых в меридиональном направлении с размерами в плане от 400 до 3500 м по длине и от 70 до 1500 м по ширине, или от 0,4 до 4,0 кв.км по площади. Мощность рудных тел колеблется в пределах от 1,5 до 40 м. При этом, более половины запасов месторождения находятся в залежах средней мощности (8-10м), а на мощных участках сосредоточено 15% запасов. На всей площади месторождения 90% рудных тел имеют пологое залегание с углом падения от и° до 10и, в зонах флексур углы достигают 80°^-85°.

Среди других характерных особенностей Жезказгакского месторождения отмечаются многоярусность оруденения.при различной степени перекрытия залежей и различной мощности междупластия.

Месторождение расположено на участке достаточно интенсивной

складчатости. В складчатом фундаменте района, по характерным особенностям строения выделяются два структурных этажа [108,113]. Нижний этаж, представленный породами докембрия и нижнего палеозоя, отличается интенсивной складчатостью в виде сложно построенных синклинори-ев и антиклинориев, которые вытянуты в меридиональном направлении. Верхний структурный этаж сложен породами девонской, каменноугольной и пермской системы и состоит, в основном, из герциноких складчатых комплексов, участвующих в строении глыбовых складок, брахискладок и сравнительно простых линейных структур. Характер складчатости пород и трещинной тектоники изменяется снизу вверх по разрезу, а в плане -с севера на юг. Интенсивность смятия увеличивается снизу вверх. Нижние слои толщи смяты в пологие и широкие складки с резкими перегибами во флексурных зонах и повторяют глыбовое строение жесткого фундамента. Породы верхнего горизонта осложнены более мелкими отгадками третьего порядка и смяты в узкие крутые складки.

1.2. Физико-механические свойства пород

Изучение прочностных свойств и деформационных характеристик пород является достаточно важным аспектом решения многих инженерно-технических и научно-исследовательских задач горного производства. Лабораторные определения физико-механических свойств пород различных участков месторождения производятся в Жезказгане практически постоянно.

Наиболее представительные исследования в этом направлении были проведены в ИГД АН КазССР,

В настоящей работе приводятся обобщенные средние значения физи-

ко-механических свойств пород месторождения и результаты дополнительных собственных исследований, позволяющие несколько расширить уже достаточно хорошо изученные упругие и деформационные характеристики. Несмотря на то, что в целом для месторождения прочностные и деформационные характеристики пород имеют большие отклонения от средних значений, в пределах небольших участков дисперсии средних величин этих характеристик малы, что свидетельствует о достаточно высокой степени однородности пород конкретных участков. Это обстоятельство особенно важно при решении многих практических задач, особенно тех, математический аппарат которых базируется на упругом деформировании элементарных объемов (метод разгрузки и т.п.).

Однако во всех предшествующих работах изучение свойств пород выполнялось, главным образом, для решения статических задач механики горных пород. Практически не было испытаний для оценки динамических форм проявления горного давления. Этот пробел мы постарались восполнить и результаты наших исследований изложены в главе 2.

"1.3. Трещиноватость месторождения

Трещиноватость рудоносной толщи Жезказгана к настоящему времени достаточно хорошо изучена. Практически для всех рудных залежей и вмещающих пород подробно описаны генезис трещин, время и причины их возникновения, пространственное взаимоотношение трещин к оруденению, минерализация и количественные характеристики трещин [113]. Исследования трещиноватости проводились путем изучения кернов геологических скважин и массовых замеров в опорных и панельных целиках, на забоях и стенках выработок с измерением элементов ориентировки всех трещин

и описанием их морфологических и генетических особенностей. На основе комплекса исследований как для каждой залежи, так и для месторождения в целом были составлены планы трещинной тектоники, выявлены закономерности проявления трещиноватости и связь пространственной локализации оруденения с трещинной тектоникой [12,113].

Из геологического описания месторождения следует, что все разрывные нарушения сплошности пород разделяются на тектонические, появившиеся в результате происходивших сложных тектонических процессов при формировании района,и неотектонических, образовавшихся в процессе литификации пород или при воздействии агентов физического выветривания, горного давления и т.п.

Анализ раздробленности и трещиноватости пород красных и серых песчаников выявил их различное восприятие тектонических напряжений, которое связано, главным образом, с различием в физико-механических свойствах. Тар" в серых более'высокомодульных песчаниках развиты послойные разрывы со следами скольжения по сколотым и сдвиговым нарушениям, а также трещины отрыва, перпендикулярные к напластованию. Красные же песчаники и алевролиты более пластичны и слаботрещиноваты. В них повсеместно развита мелкая трещиноватость, проявленная в виде послойного, секущего и параллельного кливажа, развивающегося в основном параллельно осевым поверхностям складок. Крупные сбросы, рассекающие всю толщу на значительную глубину, в слоях красных пород почти не находят своего выражения или проявляются в виде простых зон.

Все тектонические нарушения месторождения, по отношению к напластованию слоев, делятся на две группы: согласные с напластованием и секущие слоистость. Согласные с напластованием пород трещины развиты преимущественно в серых песчаника:«: и на контактах их с красными

породами. Проявляются они в виде послойных разрывов со смещением, ориентированных по слоистости пород. Эти трещины имеют значительную протяженность (до десятков и сотен метров) и ширину раскрытия от сотых долей сантиметра до 0,75м. Характерной особенностью трещин со значительным раскрытием является интенсивная их минерализация.

Секущие трещины по залеганию разделяются на пологие (с углами падения 5°-45°) и крутые (45°-9и°). Пологие секущие трещины по отношен™ к напластованию проявляются в виде диагональных нарушений, имеют наклонное расположение к плоскости напластования, притертые стенки со следами скольжения и значительную протяженность. Эти трещины не имеют широкого распространения на месторождении и проявляются, в основном, в сводовых и замковых частях брахиантиклиналей и по своей морфологии близки к внутриплаотовым трещинам.

Крутые секущие трещины распространены повсеместно, имеют исключительную прямолинейность и большую протяженность, измеряемую сотнями метров. Они рассекают пачки как серых, так и красных пород, иногда несколько смещая их по вертикали и проявляются в основном в виде тонких закрытых выдержанных трещин. В ряде случаев эти трещины сближаются до интервала в несколько сантиметров и образуют зоны дробления мощностью 4 и реже - более метров, часто заполненных жильными и руд ными мин е ралами.

Обобщающие результаты статистической обработки определенных выше характеристик всех зафиксированных систем трещин рудных дел, проведенной по геологической документации Жезказганского месторождения, представлены в табл. 1.1, из которой видно, что для рудных тел всего месторождения характерна ориентировка трещин в четырех главных направлениях: северо-восток 10и-20и, юго-восток 100°-110°} севера-вое-

Таблица 1.1

Характеристика системы трещин Зарегистрированные системы трещин

1а I6 П ш IV У

Азимут простирания , град. 10-30 40-50 100-110 и 300 20

Азимут падения, град. 300-100 130-315 10-200 50-230 210 105

Угол падения, град. 80-90 75-90 80-90 75-90 10-15 0-10

Среднее расстоян