автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Локализация влияния тектонической составляющей горного давления с помощью инъекционного воздействия при отработке глубоких горизонтов

9 ? Л Р

I lw.il

На правах рукописи

БАНК Вячеслав Анатольевич

УДК 622.023:624.138.24

ЛОКАЛИЗАЦИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕКТОНИЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ИНЪЕКЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ ОТРАБОТКЕ ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТОВ

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. Е. В. КУЗЬМИН.

■Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. О. В. МИХЕЕВ, канд. техн. наук, доц. В. И. ЛЕВИН.

Ведущее предприятие — институт «Гипроцветмет» (Москва).

Защита диссертации состоится « . . . » . . . 997 г.

в . . . час. на заседании диссертационного совета К-053.12.02 Московского государственного горного университета по адресу: 117935, ГСП, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан 20 февраля 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, доц. В. Н. КОРОЛЕВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

сис^'Г^' ТШМ- В последпие годы предприятиях, применяющих н раООТКИ С 0т,срытым 0ЧНСТ"Ь'" пространством, в отработан-

утасталп.сь СЛУЧЗН массовых обрушений пород с выходом .лшшиц и проседании па поверхность, что ведет не только к „отеоям ру-мь в целиках и в неотработанных пластах, ,ю и нарушению самой дневной ол.рхности, выводит из оборота значительные ее участки, обусловливает

ЗДаНИИ' С00№нпГ,> коммутшкаций, ухудшает экологическую оостановку в регионе.

ус^™^'" 110 СТ0ЛЬШ ,,оше отрабатываемые залежи, сколько старые, устоя,шпися, которые много дет находились в отработанном состоит». п31ер'-да лезказганского месторождения характерны две зоны таких рззрз.иекпи: псрцая, проходящая по периферии -14, 45, 5!. 57 .« 65 ш— , 10А1ЮЛ а посточной части месторождения, и вторая, охватывающая Зтлто-

Г "10КС!СШ'каригр по пояям !!;лхт 55 и 57- Обрушения в «же II ятяют-£ иР^олож.пельш результатом влияния массовых взрывов па карьепе -атоуст-ьеловсюш и нарушения технологии отработки, причина же о'б-' р*то"е' 3 30"е 1 ДР5''аЯ " обУ^овжтастся действием тектонических сил а

Принято было считать, что камерно-столбовая и панельно-сголботч сис1смы разработки всегда обеспечивают устойчивость земной поверх-"ОЛИ и сохранность на ней сооружений и объектов 2 и 3 категооии охран!-; в течение длительного периода времени. В 1957-1958 гг на Жезказгаиском ^.^торокдепнн произошло первое обрушение с выходом на лиевную по-^ шюсть при применении вышеуказанных систем разработок. Аиадогич-

пД-.™ГеШ!Я Пр0Ю0пшлн в 1978> 1980-1982, 1986 гг." Объем обрушений постоянно возрастает. В июле 1996 г. произошло массовое обрушение по-• род с выходом на дневную поверхность, групповым несчастным случае-.., приведшим к гиоели б человек. В зону сдвижения попади дообплыгый нех участок автомобильной дороги, ЛЭП в районе стдола 47 шахты. Это об-Рдш.нис замкнуло цепочку массовых обрушений, оксоедьем опоясавших месторождение с юга ц востока. Причиной этого считается влияние текто--.л хескон составляющей горного давления, которую раньше при расчетах учитывали и которая играет значительную роль, потому что ее зеличи--.т, как показывают натурные измерения в Жезказгане, уже на спсдних горизонта минимум в 2,5 раза превосходит вертикальную составляющую, ^еичас а неотраоотанных горизонтах на глубине 300-400 м от повеохности давление вертикальной составляющей - не более 20% от предела прочности ьород на сжатие, горизонтальная же составляющая достигает 50% от предела пр очности пород на одноосное сжатие. Эта величина напряжений уже может разрушать элементы горных выработок и ставит под сомнение возможность дальнейшего использования существующих систем разработки.

'¿КТе ыло:«гнного возникшая научная проблема разработки новых ■•■-¿годов защиты от воздеасгаш тектонических сил и способов управления аНН ЯВЛйется актуальной наукой задачей.

Целыо диссертационной работы является установление зависимостей горизонтальной составляющей горного давления от параметров инъекционного воздействия на определенные участки месторождения для локализации влияния тектонической составляющей горного давления, что обеспе-чнт создание безопасных условий труда при применении систем разработки с открытым очистным пространством на глубоких горизонтах.

Идея работы заключается в снижении величины тектонических напряжений на участках массньа путем воздействия ¡1а горные породы инъекционными составами с регулируемым сроком отверждения. Научгпде положения, разработанные автором, и их коинзиа: существенное влияние на устойчивость горных выработок оказывает тектоническая составляющая горного давления при ее значении, большем 2уЫ;

отработка перемежающихся пологих пластов снижает модули деформации, отрабатываемых пластов пропорционально жесткости смежных пластов; •■ •

защита участков массива с помощью инъекционного воздействия с замедленным сроком отверждения создает условия для микросмещенпй блоков по трещина?.!, заполненным еще неотверждепньш составом, снижение тектонической составляющей горного давления происходит пропорционально снижению жесткости разупрочненного массива;

по отверждении состава .массив монолитизируется, увеличивая свою несущую способность и воспринимает дополнительную нагрузку пропорционально увеличившейся жесткости, разгружая этим прилегающий неукрепленный рудный массив и создавая более безопасные условия отработки. ,

Достоверность и обоснованность научных положений, выводе» и рекомендаций подтверждаются большим объемом лабораторных исследований, сопоставлением их с полученными результатами производственных испытании (расхождение 15-20%).

Кауч--че значение заключается в определении комплекса условий залегания месторождения, при которых возможно применение систем разработки с о ткрытым выработанным пространством при наличии высоких горизонтальных напряжений.

Практическое значение работы состоит в создании методики расчета параметров защитного барьера, размеров зоны его влиянн. , параметров технологии его возведения.

Реализация выводов и рекомендаций. Полученные результаты по выбору рациональных параметров инъекционного упрочнения использованы прн разработке проектов вскрытия и подготовки нижних горизонтов Жезказ-ганского месторождения (гор. - 20 м, шахты 72; гор + 140 м, шахты 45).

Апробация работы. Основное содержание работы и ее отдельные положения докладывались и получили одобрение на научных семинарах кафедры технологии и комплексной механизации подземной разработки рудных месторождений Московского государственного горного университета, 19УЗ-1996 гг, на конференциях, посвященных Неделе горняка," 1996, 1997 гг.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 4 работы.

Ooi.es! раРогг.г. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на..12.£...страницах машинописного текста содержит список литературы из...{2СЬтпменоваиш(, ..^...рисунков, ...'и..лаблпн, ...¿....приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РЛКОТЫ

Ка основе сравнительного обзора и анализа проявлений горного давления "-Ч глубоких горизонтах рудников и шах г чо-,шо пртпи к иыволу, что значительную долю ответственности при динамических формах проявлений несет тектоническая составляющая горного лактсния, которая увеличивается с глубиной. '

Рассматривая геологи«ссксс строение Жезказганского месторождения с точки зрения телоиическ.чх сил при его образовании и отработке, основываясь ил анализе натурных значений главных напряжений, получении* Н.Хастом, '; .А .Тур ч а п и и о ш а я, Г.А .Марковым, А.Л.Ватутиным, В.11.Борад-1Сочпонийне;», В.К.Поповым, Ю.И.Чабдаронои, П.П.Вихом и многими другими на Жезказганском, Норильском чссторожлсшга, а также местороадшиях Кольского, Уральского, Алтайскою регионов, и сопоставляя их с последними положениями и разработками геотектоники, можно отметить, что суоширотиость главного горизонтального напряжения )з горных выработках Урало-Казахского региона обусловливается направлением тектонических сил Нвразиатской тектонической плач формы. Данное положение подтверждается также и возрастающими с глубиной значениями горизонтальных напряжений. Это возрастание сцльнее по всем регионам, чем увеличение сил бокового распора при росте с глубиной гравитационной составляющей.

В отличие от гравитационной составляющей тектоническая составляющая при слоистом строении массива проявляется наиболее ярко в более прочных и жестких слоях.

При изменении жесткости слоя (отработке запасов руды в нем) тектоническое давление перераспределяется на соседние слои пропорционально их •жесткости а удаленности как на нижние горизонты, так и на верхние, изменяя их напряженно-деформированное состояние, что может привести, особенно в старых выработках, к лавинной потере опорами своей несущей спосооности и обрушению кровли вплоть до поверхности.

При вскрытии и подготовке новых участков на глубоких горизонтах месторождения воздействие тектонической составляющей приводит к столь з> длительному куполению субшнротных выработок, что их сечение увеличивается до 200% и более. Резко возросли потери на отстой и перекрепление таких выработок, при проходке разрезной транше» в новых панелях практически невозможно обеспечить безопасные условия труда.

Рассмотренные явления требуют нового подхода в обеспеченна непрерывного рабочего цикла при проходческих и подготовительны., работах. Необходимо на момент пропадет« рабочего цикла снизить геличину гор-

з

кого давлении в призабойпом пространстве, а спустя некоторое время обеспечить более высокую прочность массива в данном месте, чтобы он смог дополнительно воспринять часть горного давления, снимаемого с соседнего призабойного участка.

В связи с изложенным задачами настоящей работы являются:

- определение условий, при которых возможно сохранение существующих систем разработки на глубоких горизонтах;

- обобщение и сравнительный анализ воздействия тектонических сил;

- определение условий при которых следует учитывать влияние тектонической составляющей горного давления;

- обоснование инъекционного способа упрочнения с замедленным сроком отверждения;

- установление параметров технологии возведения защитного барьера и зоны его влияния;

- установление параметров технологии и технологических схем инъекционного воздействия;

- технико-экономическое обоснование инъекционного упрочнения с регулируемым сроком отверждения.

Для определения последствий воздействия тектонических сил на глубоких горизонтах на ослабленные временем элементы горных выработок на верхних горизонтах были изучены особенности геологического строения Жезказганского месторождения и физико-мехапнчсскис свойства пород, особенно на нижних горизонтах. Данные, полученные автором при испытаниях жезказпшекпх пород серых и красных песчаников, отобранных и подготовленных с глубоких горизонтов, послужили обоснованием разработки Государственного Стандарта № 28683 "Определение деформационных параметров горных пород".

Значения физико-механических свойств горных пород Жезказганского месторождения приведены в таблице 1.

При испытаниях было установлено,' что прочность красноцветных пород Жезказганского месторождения в 1,4 раза ниже, а податливость - в 1,5 раза выше, чем у серых песчаников на глубоких горизонтах. Следовательно, жесткость пластов серых песчаников в 1,5 раза будет больше, чем у пластов красноцветов равной им мощности, и поэтому серые пласты будут разгружать красноцветные при воздействии тектонических сил, т. е. в серых пластах будут концентрироваться тектонические силы до 1,5 раза большие, чем в красноцветах.

С ростом глубины на Жезказганском месторождении ожидается преобладающее возрастание тектонической составляющей горного давления, которая при достижении определенной величины или определенного соотношения с величиной гравитационной составляющей станет превалирующей.

Рассматриваются основные технологические схемы отработки месторождения и созданная в связи с этим новая геомеханическая обстановка при учете влияния геотектоники месторождения.

Поскольку более 80% выработанных запасов отработаны камерно-столбовой и панельно-столбовой системами, то основной опасностью для

месторождения будет потеря устойчивости элементами этой систем!.! I давней причиной происходивших обрушений явилась потеря несущей способности междукамерными целиками, что приводило к образованию запредельных пролетов кровли и обрушения се вплоть до повсрхносш.

^ Таблица1

Физико-механические свойства пород глубоких горизонтов Жс> казганского .месторождения

Наименование параметра

Плотность Прочность на

сжатие Прочность на растяжение Шумность импульсов Сопротивление Скорость продольной волны Скорость поперечной волны Модуль Юнга Коэффициент Пуассона

Усл. обозначения Ед. нзм. Значения показа гелей

сс|)ый песчаник красный песчаник их <мношение

• 1 вех т/м' МПа 2,70 181,5 2,72 131,6 0,99 1,38

СУраст . МПа 17,8 11,1 1,60

ш И мп/10 сек 0,08 0,12 0,67

я Ом 8-10> 8-102 1

^прОД .. км/е 4,83 4,84 0,10

Упопср км/с 2,53 2,55 0,99

Е МН/м2 45,9 41,6 1,10

v 0,31 0,30 1,03

Многолетняя отработка месторождения, оставленное огромное количество пустот, понижение уровня горных работ и перераспределение в связи с этим тектонических сил не могло не создать новой геомеханической обстановки и не повлиять на эффективность применяемой системы отработки месторождения. •

г" объем пустот на месторождении составил 42 млн. м-\

или км . Обьем массива, подверженного воздействию горных работ -У.о км . и этом ооъеме изъято более 0,042 км', т. е. "пористость" массива повысилась, что уже не может не изменить его общего состояния, а если учеаь, что изъятые объемы расположены лишь в пластах серых пород, которых по ооъему менее 40% - то их "пористость" возрастает на 10-15%, что оезусловно изменяет гсомеханическую обстановку в горном массиве. Это ис учитывается пока в проектных решениях, по \же значительно ощущается при отработке месторождения и, особенно, при создании и обеспечении безопасных условий труда.

Процесс управления горным давлением не должен прерывать технологически» цикл и не слишком удорожат!, стоимост ь добытого полезного ископаемого. Для этого необходимо иметь возможность совмещения опаи-

или проходческого цикла с раоошмп по управлению горным давлением, а также иметь их одноопсрацполными, т. е. когда разупрочнение и упрочнение пршабойпого массива проводятся за одни прием. Причем изменять снопе та необходимо не только в нриконгурной зоне, а в обьеме всего плааа по мощности, зоне, максимально протяженной окрест расположения выработки.

При таких исходныч условиях из всех возможных способов управлетьч горным давлением наиболее подходящим являйся инъекционный способ с регулируемым сроком схватывания отв;ождающсгося состава.

В работе рассмотрен процесс развития массовых обрушений по южной и восточной периферии месторождения (рис. 1).

-I )■ уч.■'.<■, ~г

; о { V чо м

им

; - ! ' Д ч-

Ш^Щк /ШЩЩ

и -с* .. ___■■ />.

! О,.. >

-ц.

____

V"

Рис, 1 Совмещенный план горных работ: обрушения с выходом на поверхность, причиной которых считается влияние тектонической составляющей горного давления;

- обретения с выходом на поверхность, причиной которых считается влияние массовых ырысоз на карьерах. . '

Впервые такое обрушение было зафиксировано в 1957 г. на шахте 44. Ядро обрушения образовалось на глубине 100 м на самом южном в то время фланге месторождения. Затем до 1976 г аналогичных обрушений не было, а в 1996 г образовался провал в поле шахш 45 с ядром па глубине 200 м, в 1980 г - на шахте 51 с глубины 40 м, в ¡978-1982 гг снова на шахте 44 с глубины 110 м, в 1982 г на шахте 42 с глубины 80 м. Классическим по форме и последствиям можно считать обрушение панелей 9-3 на шахте 45-в 1985 г.

Анализ фактов обрушений показал, чк> оиьем обрушений и их последовательность постоянно увеличивались, что предполагает параскшие разрушительных сил. Результаты наблюдений на рудниках показывают, что в каждом конкретном случае механизм проявления горного давления и обрушения налегающей толщи пород является сложным и часю не может быть представлен в виде простой схемы.

Конкретной причиной начала разрушения является, как правило, отработка барьерных педиков, расположенных волн ¡и геологических нарушений, где поле напряжении наиболее отличается от расчетных представлений при проектировании отработки. В большинстве случаев обрушения начинались в залежах большой мощности, т. е. при высоких и тонких неликах (при—<!). Необходимо отменит,, что, в первую очередь, топкие пе-¡1

лики плохо выдерживают сдвиговые и растягивающие напряжения, порождаемые тектонической составляющей. Поэтому создаются идеальные условия для цепной реакции разрушения междукамерных иеликоп и затем обрушения кровли. Угол сдвижения пород над очагом обрушения близок к 90". Эти обрушения, в отличие от прикарьерных, достаточно четко реализуются в Пределах 1-2 панелей и ограничиваются ближайшими целыми барьерными целиками. Следовательно, действующие разрушающие напряжения имеют сравнительно локальный характер и релаксирутот совместно с образованием малых полостей. В отличие от этих обрушений прикарьер-ные характеризуются охватом большой площади, до 800x800 м, их не отраничипатот барьерные целики, инициатором является сенсмовоздеп-ствие массовых взрывов, в зоне действия которых и происходят обрушения.

Характерна зонноегь в образовании и развитии периферийных массовых обрушений. Их "гирлянды" I и 11 четко видны на рие.1. Гирлянду 1 составляют наиболее старые обрушения, образовавшиеся в тот период, когда по этому рубежу проходили южные н восточные границы отработки. В гирлянде II, по преимуществу, более молодые по возрасту обрушения, и связаны они с продвижением отработки на юг и восток. В то же время за границей этих гирлянд, во внутреннем поле месторождении, где отработка велась на несколько десятилетии раньше, чем в зонах обрушений, массовых обвалов не наблюдается. Хотя в этом районе МК"'1 имеют'больший срок службы, а глубина разработок не уступает глубине ¡он обрушении. Можно предположить, что зоны произошедших массовых обрушений экранируют от воздепешш разрушающих сил внутреннее поле. В этом оду-

мае разрушительными силами могут быть только горизонтальные силы, дейетуюшпе из-за линии обрушений, т. с. с юго-востока. А это направление совпадает с ЛСЙС1ВНСМ тектонических сил и жесткой платформе Казахскою peí иона. Тектническне силы вызывают сдвиговые напряжения в междукамериых медиках, они легко "опрокидывают" именно более высокие и ¡онкпе целики, независимо ог их первоначального состояния, и даже "выбирая" наиболее прочные целики, т. к. ослабленные, с плоскостями скольжения, .междукамерные целики менее подвержены разрушительному влиянию сдвиговых напряжений. Этим можно объяснить тот факт, что значительная часть массовых обр>шснни произошла в выработках, не отнесенных к категории ослабленных или опасных по обрушению. Эго допущение достаточно четко определяет геомехппическуго причину и последнего обрушения с выходом на поверхность ь районе ствола 47 шахты в июле 1996 г, которое привело к гибели людей, разрушению зданий, дорог и линии ЛЭП-35. Эго обрушение замкнуло восточную ветвь в гирлянде П. Причиной его считаете!; влияние тектонической составляющей горного давления, которая играет определяющую роль для юго-восточной периферии рудников Акционерного Общества "Жезказьэнцвстмег" (АО "Жсзказ-ппщвекмет").

Возможность влияния тектонических сил в регионе на состойте массива и горных выработок рудников АО "Жезказганцветмет" допускается всеми нссдедопателячи-геомеканиками.

Факт высокой тектонической составляющей горного давления, экспериментально установленный Ю.И.Чабдаровой, В.И.Борщ-Ксмгюнийцем и др. еще в 70-х годах до сих лор не нашел реального отражения ни в проектной части новых рудников, ни в существующих технологических процессах, особенно при вскрытии новых горизонтов.

По проектам института Гнпроцаетмст, "нормальное" значение тектонической составляющей для глубины 100 м не превышает 75 кг/см2, для глубины 500 м - 375 кг/см2, т.е. уже 15 - 20% от разрушающей нагрузки для серых пород и 25-30% для красных.

Вопрос куполения, впервые остро вставший .при проходке Жезказган-ским шахтопроходческим трестом вскрывающих и подготовительных вы-рабоиж в конце 80-х годов на глубине около 500 м, приводящий к увеличению сечения выработок в 2-2,5 раза и значительно снижавший скорости проходки выработок из-за необходимости отстоя, спустя некоторое время стал характерным также и при вскрытии новых пластов на верхних горизонтах.

Природа этого явления представляется следующей. Отработка перемежающихся пологих залежей связана с проблемой изменения жесткости отрабатываемых пластов серых песчаников, выхода их в связи с этим из-под ick топической нагрузки и переноса напряжений на другие породные или еще не отработанные рудные пласты, где горное давление соответственно возрастет в нетронутом массиве; иди на отработанные горизонты, где рост горного давления может стать причиной разрушения устаревших (ичавшнч) элементов горных выработок, вызывая этим цепную реакцию разрушения вплоть до поверхности. При проведении же в этих слоях пер-

впчнмх вскрывающих выработок, являющихся дополнительными концентраторами напряжении, могут возникнуть на контуре лих выработок напряжения, способные вызвать разрушения трещиноватых участков (таких, как кровля выработок) или даже ненарушенных участков в зонах повышенных концентраций (в местах сопряжения кровли и опор по главному направлению тектонической составляющей). Такие зоны высоких напряжении можно наблюдать с виде белесых пятен в педиках серых песчаников около куполящпх выработок вблизи мест сопряжения целиков с кровлей преимущественно с северо-восточной сюроны по всему юю-воеючиому pei иону месторождения.

Факт концентрации значительных напряжений, особенно при проходке разрезных траншеи в панелях общеизвестен и хороню согласуется с данной гипотезой, когда при завершении рассечки траншеи, напряжения значительно снижаются.

Поскольку исторически сложилось, что первыми обрабатывались верхние слои месторождения, то создалось общее впечатление, чю poci концентрации напряжений при нарезке панелей выиктп именно лишь увеличением глубины их залегания. Такое объяснение до определенною времени устраивало.

Появление куполсипя я высоких напряжений на верхних ropinomax потребовало новых (ипотс). Применение существующих мер сохранения выработанного пространства в устойчивом состоянии не питволяег обеспечить во всех случаях высокую надежность, к тому же приводит к потерям руд и дополнительным затратам. Целесообразным вариантом является приостановление и локализация процесса развития обрушения налегающей толщи посредством регулирования составляющими юриого давления.. '

Традиционные методы локализации обрушений торных пород могут быть различными: поташеиие массива юрных пород »фывом; закладка выработанного пространства ытдравлическими и твердеющими смесями; (вставление предохранительных ленточных педиков и др>ше, но они ipy-доемкн и непоягорнмы. Нужны новые подходы. Одним из них может явиться способ инъекции твердеющих материалов с рет >лир\смьы сроком отверждении.

Применение инъекционного упрочнения юрною массива известно давно и во Miioiiix регионах как угольных, так и рудных, как у нас, так и за рубежом.

В последнее время в МГГУ разрабатывается научное направление \правления составляющими горного давления при иньскннонном воздействии с регулируемым сроком отверждения, когда при введении в трещинное пространство жидких составов создаются временные условия для мнкросмешенин структурных ó.uskob, способствующих релаксации напряжений и снимающих ним значительную часы, ши pys"u па при шбойпый массив с радиусом влияния, равным 1,5-2,5 диаметра пиьеинрусмою обье-В ног период напряжения п пртпабоГшом участке массива ре ¡ко снижаются, чю позво.'в.'е¡ безопасно произнеси! следующий проходческий пли очисток цикл бет проявлении давления urna куиолекиа иди вывали».

ч

К конку цикла составы б ипьецироаанном обьеме схватываются и омоно-днчнвлют е'т о, что значи телыто попытает его прочностные и упрут не показа !е.тн. Поэтому данный учаенж воспринимает уже на себя действующую и б-вилежатсм обкоме нагрузку (как жссткин массивны)! целик) и раяру-жаег •)юг обьем, создавая в нем условия для повторения никла нньекцпи и проходки. Эют физический процесс является основанием предлагаемого способа управления тектонической составляющей горното давления и обеспечения безопасного веления горных работ на глубоких горн ютах по принятой на предприятии темюлотни п.-д защитой монолитно) о смоло-упрочиенного барьера. На способ управления 'тектонической составляющей горнот о давления подана заявка па изобретение и подучено положительное решение на приоритет.

Выбору и расчету способа I! метода создания ^ицигиого барьера посвящена в Iоран I лава.

Рассмотрены вопросы геомеханики при проектировании шахт АО "Жот-казкшивел мет", нормативные документы и результаты натурных исследований напряжении как в поле Жезказганского месторождения, так и лру-! их р>ет ионах СПС п мира.

Отмечаемся, ч то основой проектных решении для новых ша:л ¡1 у частков АО "Же(качганцветмег"сдуж11г проверенная многодетен практикой для условий верхних горизонтов схема расположения МКЦ по сетке 20x20. м и барьерных чере? 125-150 м. Оси барьерных целиков ориентированы вкреет простирания флексч-р. Осп очистных камер перпендикулярны осям барьерных педиков. Расчет конструктивных элементов системы разработки ведется в расчете только на гравитационные силы в пределах свода естественною равновесия пород между панельными барьерными Iтеликами. Физические данные пород принимаются по аналоги» с ранее выполненными проектами. Уточнение основных проектных параметров при локальных о) работках ведется на основе местной нормативно-технической документации, составленной для условий их расчета только на сжимающие напряжения.

Между тем поле напряжений на шахтах АО "Жезказгаинветмет" достаточно исследовано и опубликовано в работах МГГУ, МГРА, ИГД НАМ РК, ВИПМ.Н и ею филиалов, а также друт их институтов.

Исследования охватывали как верхние горизонты по площади, так и гл\ бокис.

Уже на тлубннах 200 м о г поверхности Ю.И.Чабдаровой отмечены тритон тальные напряжения, в 10-15 раз превышающие вертикальные, в среднем - в 2.5 ра

На максимальных тлубннах (400 м) Сибирским филиалом ВННМН определено, что в среднем нэп омическое давление п 6-8 рат больше трани-тапионнот V). которое близко к расчетному.

С тоснеточной степенью достоверности можно утверждать, что природой тектонической Составляющей горного давления в условиях рудников АО "лчежазтанцветиет" является движение глубинных платформ земной корта, по вектору совпадающее с направлением тлавного горизонтального

напряжения на месторождении. В пользу этого предположения свидетельствует и. проведенный нами анализ данных по натурному определению методом разгрузки величины действующих главных напряжений на разных глубинах рудников и шахт Казахской плиты, Урало-Казахского региона, стран СНГ и других (табл.2). '

Таблица 2

Величичы главных напряжений на рудниках

кд. И!'!, С г" 04 аз

до 100 до 200 до 300 до 400 до ню До 200 д» ЗОН 400 до 1Ш ДО 20! » ! Л» i Л') 4"0

Руланкн !

СНГ МН/м2 2,5 3,6 5,8 7,3 2,8 14,7 20,5 27,8 2,4 8,4 ; 25,6

в т.ч. Урало- • :

Казахский т\ы- 2,5 4,6 6,2 10.5 2/> гч 20,7 28.2 2,2 5.S !^ 24,0

регтон i

Вас СНГ " MÏLV 2,4 5,0 7,; 11.2 - ■> 1 ) 0,5 20.8 29,4 2.0 S.5 i 1Я.7 23,5

Все исследователи отмечают возрастание главного гортоигадыюго напряжения непропорционально гл\ бинс отработки и его совпадение по пек-тору с тектоникой данно! о региопз.

Также отмечается уменьшение горизонтальных напряжений » перемятых и трешиноватыч зонах, т. е. более нодаг.ишыч участках. Повысит!» же податливость скальных участков массива можно увеличением схолюшиы между структурными блоками по оконтуривакшшм их трещинам, шкмя в них временную смазку, которая впоследствии может отвердей, я омоноли-чить массив.

Поле напряжении а нетронутом массиве :,хс горождении «семи исследователями предполагается на глубоких гориюитах как несглшоиарнос с многократным превышением тектонических сил над гравитационными.

Вследствие этого вопрос о выборе рациональных схем отработки Жсз-казганско») месторождения па глубоких горизонтах являекя письма актуальным, причем решение этой проблемы следует искать, прежде всего, в способе управления тектонической составляющей s ориого л.авдення.

Возникшая задача может 6i.ni. решена с помощью иньекцнопного коз-действия, что может эффекпшно повыепи, безопасное¡ь подземных горных работ, улучши 1ь качество и полноту извлечения руды, эффекшшюсгь борьбы с горным давлением и решить много других горнок'.чпо.пн ических задач.

В работе рассмотрены теоретические представления о .чар.-.мере перераспределен! ш тектонического давления по слоям при ik orp'.woïKC и управления этим давлением при помоши шп>скцни пч'р к'нчиич а.а.-во».

Впервые возможность перераспределения ккгонической соекпиякипои по слоям была допущена при обьяснсшш явления сильною куиатения проходческих выработк па верхних гирпзотлч.

Для наглядности объяснения происходящего процесса возьмем для примера учасюк мес'юрождения по профильной линии 186 пихты N11 65 п произведем расчесы, основываясь на данных страпнрафическон колонки по скважине 5952 в пределах отметок 440 м (дневная поверхность) и 220 г м. На лом участке чередуются 8 пластов серых песчаников общей мош-

■ ■■■>. гп::.дГ;;:[С?1.>'0п;н'")СТ1,Ю КО м. Испытания пород показали, что одни и те же напряжения вызьпДШТггертНЧйЯ.— чаинках деформации п 1,5 раза меньшие, чем с красных. То есть жезказ-ганские крашоцветы менее жесткие породы, чем серые песчаники, н легче уходят из-под тектонических напряжении, передавая нх к первую очередь на смежные слои серых пород, т.к. тектоническая составляющая давит в торец пластов и пласты более жесткие имеют возможность "рапружать" соседние менее жесткие, в то прсмя как вертикальная составляющая передается из пласта в плдег без изменения но величине в каждом пласте (не рассматривая прирост 'jtoto напряжения за счет веса самого пласта).

Таким образом, создастся первичная неравномерность полей напряжений в нетронутом массиве. Максимально за счет такого перераспределения напряжений напряжения в серых песчаниках могут возрасти в ¡,4 раза.

Суммарная величина тектонической составляющей на всех перемежающихся и пдааах принимается постоянной и выражается

F = £(Kh-<vS,),

где Кн - коэффициент нагрузки;

oi - величина тектонической составляющей горного давления,

возрастающая с глубиной; Si - площадь поперечного сечения пласта с напряжением oi.

Суммарная нагрузка распределяется между соседними пластами пропорционально их жесткости (мощности пластов и модуля упругости пород).

Закон распределения нагрузок можно установить исходя из предпосылки одинаковой деформации соседних слоев Д и выразить в виде

где М - мощность пласта;

£ - модуль упругости пород; Д-деформация пласта.

В частности, для связки двух пластов можно принять:

УF = Д__,

Г м,-в, +4-ь/

'Здесь tc, Ек - модули упрутосш серых и красных песчаников;

Мс, Мк - мощность пластов серых и красных песчаников.

Анализируя попарно перераспределение напряжений в пластах по вер-шкали, можно раесчшать исходное поде напряжений в нетронутом массиве на всю мощность месторождения. Такой расчет легко программируется. При проведении выработок в каком-либо пласте серых песчаников увеличиваются его деформационные способности при неизменном боковом

и

д:латении, что ¡м/ражается а уменьшении жесткости за счет учеммисниз модуля упругости пласта. Поэтому произойдет перераспределение напряжении через соседние слои красных пород на близлежащие неотрабо тайные серые, что, естественно, eme более увеличит з них природное поле напряжении.

Для уменьшения влиянии рассматриваемого фактора на поле напряжении необходимы мероприятия, направленные на обеспеченнее равномерности пщрулл'ння пластов серых и красных пород, возможно, за счет их разного деформирования или увеличения податливости серых пластов черед их вскрытием.

В работе исследованы физико-механические свойства пород с целью уст лиг. "..тения правомерности использования результатов предыдущих исследований. Автором были отобраны образцы песчаников с глубоких го-щгзотио» шахты 67 (отметка - 20 м) в виде кернов диаметром 30 мм и высотой, равной двум диаметрам и проводились прецизионные испытания на определение упругих, деформационных и прочностных характеристик данных пород.

Поскольку рассматривались вопросы связи напряжении, деформирования и разрушения горных пород, то получены зависимости основных параметров от предела прочности пород на сжатие (рнс.2,3.4,5).

Большой обтем традиционных восстановительных работ на перекреплена.: ¡.ыраблток н камер вынуждает искать нотые технологические способы чашнтн очистных робот. Прот-еденные шахтные и лабораторные эксперименты позволили разработать метод »скрытия нижних горизонтов и проведения подготовительных и нарезных выработок под защитой охранного барьера, создаваемого с помощью инъекционного процесса.

Основными положениями предлагаемого метода являются: проведение основных вскрывающих выработок навстречу действию тектонической ео-стал.аиощей горного давления, а субтттпротных выработок - под зашитой сотдаваемого барьера, позволяющего резко снижать действующие напряжения з период проходки и омонолнчнвать вметающий массив на весь срок сдул с? i выработки. При ;гом возможно проведение основных нарезных гляраооток - разрезных траншей в зоне действия максимальной разгрузки.

Создание защитного барьера осуществляем следующим образом:

Для снятия папрялчсний в защищаемых пластах бурят кважины по высоте пласта навстречу тектонической составляющей и производят по ним натиеганпе пластнфнцпрующе-отверждаюптего состава е замедленным сроком отверждения.

В первый период процесса (сразу после нагнетания) пласт пластифицируется т! его жеенсость снижается, в результате чего происходит перераспределение давления на соседние слон пропорционально коэффициенту снепления слоев по границам.

Во второй период процесса, за счет увеличения его несущей способности по мере отверждения состава напряжения возрастают в абсолютном значении, но в относительном они меньше действующих напряжений в нетронутом массиве.

тз

с i X i О '

СГ-:103

Р.ие.З Зависимости прочности и деформации серых песчаников

V и, V;, I

га -ю г.з сз т со Рпс.4 Зависимости "электрического сопротивления и скорости упругой водны от предела прочности серых песчаников на одноосное сжатие

. - - -

-ч.

Область опц.раелгян^ естественно А гласности

----— -------1

Рис.5 Зависимость прочности серых песчаников от содержания влаги

lia основе положений теории Ю.И.Протасова и С.Л.Проскурина рассчитываются параметры защитного барьера н зоны его влиянии, технология возведения, скорости фильтрации, поля давления, скорости фронта _Фптуф^иапцтасхода состава г. объема закрепленной породы. Параметры

цветмет" и подтвержденные при натурных испытаниях, приведены в таблице 3.

Таблица 2

Технические параметры нагнетания инъекционных составов в горные породы рудников АО "Жезкаэганцветмет"

Ввды процессов Веер и luivpou

I И Ш IV

Давление в системе, нача-

ло нагнетания, кг/см2 150 140 120 S0

Время нагнетания, с 120 150 140 60

Давление в системе, конец

нагнетания, кг/см2 150 130 90 75

Расход твердеющих мате-

риалов, л 20 20 15 6

Закрепленный объем, м5 7,5 10,0 9.0 4.0

Приводятся результаты натурных и лабораторных исследований, позволивших установить технологические параметры, на основе которых составлены рекомендации tío безопасному вскрытию и отработке глубоких горизонтов рудников АО "Жезказгеицвстмет".

Лабораторные исследования включали прецизионные исследования физико-механических свойств пород глубоких горизонтов с целью определения взаимодействия слоев в массиве, эдектромоделированне с целью определения влияния защитного упрочненного барьера па выбор места нарезки траншей.

Приведенные результаты натурных и лабораторных экспериментов подтверждают и количественно устанавливают отдельные положения теоретических расчетов и положений. Рассмотрены условия распространения инь-екипонных составов из скважин по трещинам в условиях рудников АО "Жсзказганиветмет", Предпринята попытка определения инженерных параметров нагнетания составов, основанная на использовании эмгшрнко-статистичсских моделей процессов нагнетания и отверждения по результатам натурных испытаний в условиях АО "Жезказгацнветмст".

Полученные при,этом параметры нагнетания проверены в натурном эксперименте п условиях южного рудника АО "Жезказганцестмог" при работах по укреплению бортов выработок нш-екцпокным способом. Рсзу;н -

тачы натурного эксперимента подтвердили необходимость исподь¡окапи« высоких давлений при инъекционном воэдейавпи, особенно в условиях глубоких горизонтов рудников АО "Жезка зганцнет ме г". При ном выявилась необходимость оставления между стенкой выработки и областью упрочнения массива охранного целика мощностью не менее ради\са распространения составов от шпура нагнетания. Этот целик нужен для предотвращении прорыва составов на штрек по горизонтальным, наиболее раскрытым трещинам, дтя предохранения вывала в штрек стенки иод влиянием высокого напора составов в вертикальной системе трещин, параллельных стенке штрека и дтя обеспечения достаточной прочности sa-бойки в устье шпура, препятствующей выбросу из шпура самою ши.скю-ра под влиянием им же создаваемого в шпуре высокою давления. При сечении шпура 15-20 см2 и давлении в 100-150 атм. общая сила, выжимающая иньекгор из шпура, достигает 3 т.

В проведенном натурном эксперименте уточнены параметры высоконапорного инъекционного процесса, однако, отмечено, что эти параметры могут весьма значительно отличаться для двух одинаковых участков борга штрека и связаны не только с параметрами трешиноваюсти массива, но и величиной I! направлением действующих в нем напряжении.

Приводятся результаты электрометрических исследований процессов изменения напряженно-деформированного состояния массива на плоских двухмерных моделях' при переменном тектоническом давлении. На рис.6 приведен!.! результаты электромоделироиания вскрытия нижнего горизонта по предлагаемому .методу.

Целью лабораторного моделирования явилась проверка влияния горизонтальной тектонической составляющей поля природных напряжений на изменение эпюры напряжений п кровле и опорах, возникающей под действием гравитационной (вертикальной) составляющей при переменном значении тектонических сил.

Теоретические обоснования и экспериментальные разработки электрографического метода дтя решения вопроса об оценке НДС массива с учетом пере<*"нной тектоники получены на основе работ И.Д.Насонова и Л.С.Кузясил с привлечением теории потенциала при максимально возможном соблюдении требований условия подобия при помощи интегратора с . использованием неоднородной электропроводной среды.

Манте усовершенствование метода электроаналогий ' сличалось в дополнении существующей схемы второй подвижной парой электродов, перпендикулярной первой, но обладающей возможностью изменять этот угол от SO до 0й и тем моделировать направление воздействия тектонической составляющей.

Задачей моделирования было получение параметров, характеризующих влияние переменной тектоники на изменение эпюры напряжений а кровле и опорах,-возникающей под воздействием гравитационного давления.

Для этого шаблон горных выработок располагается на середине исследовательского стенда в зоне равномерных напряжений, образуемог о вертикальной парой "гравитационных" электродов. Опорные точки поля привязываются к перемещающимся точкам объектов исследований. В этих

17

тчкач проводятся опорные замеры в "нагруженном" поле модели только при наличии i радиационной составляющей, татем при неизменном гравитационном напряжении при наличии переменной от 0 до 10 yli тектонической составляющей. Соотношение значений напряжений в опорных точку.\ показывает, во сколько раз изменилась роультнруюшая горного дав...... ;

Па рис.6 приведены результаты исследования влияния тектонической составляющей на напряжения в поле самого южного участка рудника АО "Жезкан апиветмет" при а.=2.5уН. Видны зона опорного давления по кромке панелей н зона разгрузки полостями самых южных панелей северной чает торнюнга +140 м. По геометрическому соотношению размеров панелей и Зои различных давлении определено, что наибольшую степень ранрх ¡ки разгружающий тлемент (в данном случае цель от панели) оказываем в массиве на расстоянии 2-3 раза своей ишрины.

Следовательно, если couaib разгружающую зону (за счет увеличения по ипливос! и или, наоборот", крепости массива), то его наибольшее воздействие будет оказываться на расстоянии 2-3 раза его ширины. При ширине такою барьера, равном мощности рудного тела - наименьшее влияние тектонических напряжений будет па расстоянии 2-3 га, т. е. для АО "Жезклзг аниветмег" в среднем на расстоянии 20-30 м от барьера. В 'лом месте создаются наиболее благоприятные условия для проходки наиболее опасной выработки - разрезной траншеи. Поэтому на глубоких горизонтах разрезную траншею предпочтительнее проходить вблизи барьерного целика, образуемого при проходке подготовительного панельного штрека, что обусловливает и обрашын ход очистных работ.

На рнс.-7 приводится результат исследовании изменения тгнор и видов напряжений при тмснении тектонических сил от 0 до 2,0 уН в вертикальном разрезе по сечению панели. При тгом отмечено, что напряжения в крайней по направлению действия тектонических сил камере более чем в 1,5 раза возрастают при g,=27H. Такой характер распределения напряжений на модели хорошо согласуется с анализом данных метода разгрузки, проведенном в полях шахт АО "Жезказганнветмет" на различном удалении от боргов разработки н панелей.

Даны описание и результаты объемного моделирования процессов послойного перераспределения тектонической составляющей горного давлений при отработке (изменении податливости) одного слоя.

На основе прецизионных определений деформационных и прочностных параметров серых и красных песчаников АО "Жезказганцг.етмеГ' установлена возможность определения изменения величины действующих напряжений на базе замера величины деформаций (перемещении контрольных точек) массива (модели) под влиянием стадий отработки одною слоя. Поскольку как серые, так н красные песчаники глубоких горизонтов АО "Жезказганнветмет" сохраняют свою упругость во всем диапазоне нагрузок, вплоть до разрушающей, то замена деформаций на напряжения допустима.

Рис.6 Влияние тектонической составляющей па изменение природного ноля напряжений на очистном горизонте

1 И : 1—I!-, 1 1 1 |

! £ I ¡* 1 - " 1 ( Г 1 1

г-Си !

л, 0)1

Рис.7 Влияние тектонической составляющей на изменение эпюры напряжений в очнсгной панели

Результаты экспериментов показали, что в зависимости от жесткой и слоев и сцепления между нами, влияние изменения жесткости одного слоя распространяется на расстояние, равное 2,5 его мошносш, причем слои серого (более жесткого) песчаника концентрируют большие усилия, чем более поддатливые красные слои. Так, а среднем при одинаковой мощности слоев деформации (напряжения) в красном слое, соседнем с отрабатываемым пластом, были в 1,3 раза ниже, чем по линейной теории, а в ближайшем зз ним жестком сером, наоборот, в 1,4 раза больше предполагаемого. Эти изменения характерны как для нижележащих слоев, так и для вышележащих, что подтверждает наше предположение о перераспределении на верхние горизонты Жезказганского месторождения тектонической силы при отработке более нижних слоев.

Экономическая часть работы заключается в сравнении стоимости оборудования, работ и материалов для обеспечения возведения защитных барьеров на вновь нарезаемых панелях одновременно и стоимости потерь от одного массового обрушения при воздействии тектонических сил на примере происшедшего 9. 07. 96 г обрушения близ ствола шахты 47. Стоимость оборудования, работ и материалов составила 1,7% от понесенных потерь.

Заключение

Диссертация является квалификационной работой, в которой дано новое решение актуальной для горнорудной промышленности задачи локализации тектонической составляющей горного давления с помощью инъекционного воздействия твердеющими составами.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы:

к Существенное влияние на устойчивость горных выработок оказывает тектоническая составляющая горного давления при ее значении, большем 2уП.

2. Отработка перемежающихся пологих пластов снижает модули деформации отрабатываемых пластов пропорционально жесткости смежных пластов.

3. Защита участков массива с помощью инъекционного воздействия с замедленным сроком отверждения создает условия для микросмещений блоков по трещинам, заполненным еще неотвержденным составом, радиус влияния одной скважины 1,5-2,5 м, снижение тектонической составляющей горного давления происходит пропорционально снижению жесткости раз-упрочненного массива.

4. Установлено, что по отверждении состава массив моиедапизируется, увеличивая свою несущую способность и воспринимает дополнительную нагрузку пропорционально увеличившейся жесткости, р - ,. ,жая этим прилегающий неукрепленный рудный, массив и создавая более безопасные условия отработки.

5. Установлена зависимость между параметрами нагнетания и размерами зон защитного барьера для обеспечения безопасных условий труда при проходке разрезной траншеи.

6. Установлены оптимальные параметры зоны влияния защитного барьера (20-30 м), позволяющие выбрать рациональные параметры технологи;! я технологических схем инъекционного воздействия.

7. Примят обратный порядок отработки панелей в условиях отработки пластов на глубоких горизонтах в связи с оформлением разрезной траншеи и зашитого иарьера.

8. Разработанные в диссертации технологии и технологические схемы рекомендованы для использования па подземных рудниках АО "Жезказ-ганнвегмет".

Основные ш>лон:еиш. диссертации опубликованы в следующих работах:

¡. П.10.Бурев, В.А.Зашс, К.В.йковепко. Способ отработки тонких пластов лч'езказганекрго месторождения отрывом ромбических блохоз не-взры.-.ным методом. - Сб. тр. МГИ, М, 89.

2. Кузьмин с-. Г., Баш; В. А. Борьба с проявленилми горного давлений с помощью с.молоинъекиии. 1996 - с 88 - Горный ииформгциовно-аналптическнп бюллетень. Выпуск- 4.

3. Буров П. 10, Банк В. А. Тектоническое давление как основа торной технологии на глубоких горизонтах. 1996 - с 89 - Горный информационно-апалнтнческнй бюллетень. Выпуск 4.

4. Е.В.Кузьмин, II.Ю.Бурок, В.А.Баик. Способ управления составляющими горного давления в слоистом массиве. БНИИГПЭ, 1996.