автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Научное обоснование методики прогноза и обеспечения устойчивости комплексов капитальных выработок в скальных высоконапряженных массивах пород

О ^ Российская академия наук V * ^Хольский научный центр

I \ ^ ^ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

МАЛЬЦЕВ ВИКТОР АНАТОЛЬЕВИЧ

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ Л1ЕТ0ДИКИ ПРОГНОЗА И ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ КОЛШЛЕКСОВ КАПИТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В СКАЛЬНЫХ ВЫСОКОНАПРЯЖЕННЫХ МАССИВАХ ПОРОД (На примере рудников Хибинских апатитовых месторождений)

Специальность 05.15.11 «Физические процессы горного производства >

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

V

Апатиты 1998

Работа выполнена в Горном институте Кольского научного центра Российской академии наук

Научный руководитель: доктор технических наук А. А.Козырев

Официальные оппоненты: доктор технических наук Э.В.Каспарьян

кандидат технических наук А. А.Филинков

Ведущая организация ОАО" Апатит"

Защита состоится ¿<5декабря 1998т.

в час. 30 мин. на заседании диссертационного совета К 003.79.01 в Горном институте Кольского научного центра Российской академии наук по адресу: 184200, г. Апатиты Мурманской области, ул. Ферсмана, д. 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института КНЦ РАН.

г

Автореферат разослан .¿'¿'ноября 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, ( ^¡ ^ и

кандидат технических наук О.Е.Чуркин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В общем комплексе горных выработок, сооружаемых в процессе строительства горных предприятий и других подземных объектов, особое место занимают капитальные выработки, открывающие доступ к подземным объектам и служащие основными транспортными артериями. Сооружение вертикальных выработок является наиболее ответственным процессом во всем комплексе горных работ, составляющим по затратам до 30% - 40% от стоимости строительства всего горного предприятия.

В настоящее время происходит постоянное усложнение горнотехнических условий разработки месторождений в связи с углублением горных работ и переходом к совместной открыто-подземной и повторной разработке месторождений. Значительное число рудников страны (Кавказ, Урал, Горная Шория, Норильск, Кольский полуостров) и мира (страны Средней Азии, Австралии, Канады, США, Южной Африки, Индии и др.) ведут добычу полезных ископаемых в массивах, подверженных действию высоких субгоризонтальных тектонических напряжений, превышающих (до 5-10 раз) гравитационные напряжения. Проблема управления горным давлением и обеспечения устойчивости горных выработок на больших глубинах сама по себе одна из самых актуальных и сложных задач современной горной науки. В тектонически напряженных массивах сложность этих проблем возрастает, поскольку проявления горного давления приобретают в ряде случаев принципиально иной характер и меняется само понятие больших глубин и опасность динамических проявлений горного давления возникает уже на глубинах 50м - 200м. Поэтому сооружение горных выработок или их комплексов в высоконапряженных удароопасных породах требует тщательного изучения геомеханических условий геологической среды, в которой возводятся указанные объекты. Если возводимые выработки или их комплекс по своей конструкции соответствуют сложившимся природным условиям напряженного состояния и свойств массивов пород, ожидаемому естественному изменению во времени этих показателей, то при строительстве и эксплуатации такого комплекса потребуются минимальные затраты на предотвращение вредных проявлений горного давления.

В связи с этим совершенствование конструктивных параметров и способов сооружения капитальных выработок в высоконапряженных массивах является важной научно-технической проблемой.

Целью работы является разработка методики прогноза и рекомендаций по обеспечению устойчивости комплексов капитальных выработок в скальных высоконапряженных породах.

Основная идея заключается в повышении устойчивости комплексов выработок за счет максимального использования несущей способности пород путем выбора конструкций выработок, наиболее полно соответствующих природным условиям напряженного состояния и свойствам массивов.

Задачи исследований:

1. Исследование закономерностей изменения напряженного состояния массива пород под влиянием основных геолого-структурных и техногенных факторов и создание инженерной методики геомеханической дифференциации массивов по условиям устойчивости выработок.

2. Изучение закономерностей напряженного состояния пород в призабойной зоне выработок при действии в массиве тектонических напряжений.

3. Исследование динамики напряженного состояния и разрушения выработок в процессе их сооружения и эксплуатации.

4. Разработка рекомендаций по повышению устойчивости комплексов капитальных выработок в скальных высоконапряженных массивах пород.

Методы исследования: обобщение и анализ практики сооружения выработок в высоконапряженных породах, аналитические методы механики сплошной среды, моделирование численными методами, преимущественно в объемной постановке, лабораторные исследования физических свойств пород, натурные измерения, с применением широкого комплекса инструментальных методов.

Научная новизна работы заключается

- в установлении закономерностей изменения тектонических напряжений с глубиной для всех рудников Хибинских апатитовых месторождений и прогнозе их изменений до нулевой абсолютной отметки;

- в развитии принципов геомеханического прогноза условий сооружений и выбора способов обеспечения устойчивости выработок на стадии проектирования;

- в установлении закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния массива пород вокруг выработок и форм проявления горного давления при их проходке в различных по условиям напряженности и физическим свойствам массивах скальных пород;

- в определении экспериментальными методами в натурных условиях характера распределения напряжений в призабойной зоне выработок при различных формах забоев при действии в массиве горизонтальных напряжений;

- в обосновании и разработке системы геомеханического контроля состояния массива пород при проходке выработок в скальных высоконапряженных массивах;

- в установлении причин и закономерностей разрушения рудоспусков в процессе эксплуатации;

- в определении оптимального расположения разгрузочных щелей относительно забоя и их глу бины в зависимости от размеров горной выработки, величины действующих в массиве напряжений и технологии сооружения шели (способ охраны выработок защищен авторским свидетельством);

- в разработке рекомендаций по выбору на стадии проектирования рациональных конструкций вертикальных выработок с комплексом вспомогательных, размещении и креплении проходческого оборудования (способ проходки защищен авторским свидетельством), а также обосновании способов управления

проявлениями горного давления при проходке комплексов выработок в высоконапряженных породах.

Научные положения, выносимые на защиту:

- методика дифференциации массива по условиям устойчивости выработок и выбора на стадии проектирования мероприятий по их поддержанию с учетом основных инженерно-геологических и геомеханических факторов, отличающаяся тем. что позволяет по измерениям напряжений в одной или нескольких ре-перных точках массива, с использованием установленных закономерностей определять напряженное состояние в любой точке массива и прогнозировать ожидаемые формы проявления горного давления и необходимые мероприятия по повышению устойчивости выработок;

- закономерности изменения коэффициентов концентрации главных напряжений в призабойной зоне выработок от вида напряженного состояния массива, позволяющие определить напряжения в любой точке забоя при различных сочетаниях действующих в нетронутом массиве напряжений;

- зависимость оптимальной глубины разгрузочной щели от соотношения модулей упругости массива пород (Ем), модуля деформации заполнителя щели (Ещ ) и диаметра выработки (Л) с учетом мощности зоны нарушенных пород

С«)'-

а) в кровле (стенках) выработки- 1и< = (/) + 21 н )(о.225 - Ещ /Ем}

б) в забое выработки- 1Щ = [0 + 21„){о.18- 0.6 ■ Ещ/Ел^;

- зависимость величины разрушения рудоспусков в процессе эксплуатации от степени напряженности их контура и объема перепущенной руды для условий

апатитовых месторождений, имеющая вид: Ь = 0-0.02г2'87^еТв/(Тс^, м, (где ()-объем перепущенной руды, млн.т; ад - тангенциальные напряжения на контуре рудоспусков; сгс - прочность пород при одноосном сжатии);

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обоснована:

- данными практики сооружения горных выработок на рудниках ОАО"Апатит" в условиях действия тектонических напряжений за 20- летний период;

- совокупностью натурных наблюдений и исследований при сооружении рудоспусков Центрального рудника ОАО"Апатит" с использованием апробированных методов и средств контроля состояния массива, а также методов и средств, разработанных в процессе выполнения работы;

- сходимостью результатов натурных исследований, выполненных ультразвуковым, сейсмоакустическим, реометрическим, а также соответствием полученных натурных результатов с результатами аналитических расчетов и данными моделирования и с аналогичными результатами других исследователей в сходных геомеханических условиях;

- положительными результатами внедрения способов управления горного давления, разработанными в процессе исследований, при сооружении комплексов выработок на рудниках ОАО"Апатит".

Практическая ценность работы состоит в том, что

- разработанные методика прогноза устойчивости выработок и рекомендации по обоснованию расположения оборудования и выбору на стадии проектирования конструкции вертикальных и комплексов горизонтальных капитальных выработок позволяют при проходке и эксплуатации их обеспечить безопасность, длительную устойчивость, снизить непроизводительные затраты на восстановительные ремонтные работы;

- применение разработанной системы геомеханического контроля состояния массива пород и способов управления горным давлением позволило обеспечить возможность осуществления проходки вертикальных выработок, особенно способом снизу вверх под дном действующего карьера в сложных условиях динамических проявлений горного давления, с соблюдением требований безопасности проходческих работ, и заданной скорости проходки;

- результаты работы имеют общее значение и могут быть использованы при сооружении капитальных выработок различного назначения в массивах пород с аналогичными геомеханическими условиями тектонической напряженности и удароопасности пород.

Реализация работы в промышленности

Разработанные методика прогноза и рекомендации по повышению устойчивости выработок внедрены:

- в технические проекты сооружения двух сверхглубоких рудоспусков №№ 4 и 5 на Центральном руднике ОАО"Апатит", что позволило без осложнений по фактору горного давления и в два раза быстрее по сравнению с традиционным способом осуществить впервые в мировой горно-рудной практике проходку двух глубоких рудоспусков (>350м) большого сечения (20м2) способом снизу вверх в высоко напряженных удароопасных породах при действии взрывов в карьере. Экономический эффект от внедрения предложенных способов управления горным давлением составил 517,7 тыс. руб. (по ценам 1985г.);

- в проект сооружения комплексов околоствольных выработок главного ствола гор.+172м и выработок водоотлива гор.+92м Кировского рудника;

- в проект сооружения глубоких рудоспусков №№ 6 и 7 Центрального рудника.

- в проект сооружения капитальной штольни Центрального рудника.

Научные разработки и положения диссертации использованы при составлении следующих нормативно-методических документов:

1. Информационно-методические материалы "Проходка сверхглу боких рудоспусков на Центральном руднике производственного объединения «Апатит». Изд. КФ АН СССР, Кировск, 1982.

2. Методические указания по сооружению протяженных вертикальных выработок способом снизу вверх в высоконапряженных породах. Изд. КФ АН СССР, Апатиты, 1983.

3. Методические разработки для специальностей 0201, 0202, 0206, 0209. 0210, 0506, 0634 по курсу «Физика горных пород», раздел «Горное давление» III. Подземные горные работы "Геомеханические аспекты сооружения вертикальных выработок большого сечения способом снизу вверх в тектонически напряженных массивах". М., МГИ, 1984.

4. Инструкция по креплению горных выработок на рудниках производственного объединения "Апатит". Изд. КФ АН СССР, Апатиты-Кировск, 1988.

5. Указания по безопасному ведению горных работ на Хибинских апатито -нефелиновых месторождениях, склонных к горным ударам. Изд. КНЦ РАН. Апатиты, 1992.

Апробация работы:

Основные положеши диссертации докладывались на технических советах ОАО "Апатит" в 1980-1995гг.: на Всесоюзном научно-техническом совещании по рассмотрению проблемы проходки сверхглубоких рудоспусков большого сечения с использованием проходческого комплекса "Алимак" на ПО"Апатит" под председательством акад. Н.В.Мельникова (29 декабря 1980 г., ИПКОН. Москва); на научной конференции молодых ученых ИПКОН АН СССР (1980г.); на научно- технических конференциях молодых ученых Мурманской области (1980, 1983. 1984, 1985, 1987, 1990гг.); на II Всесоюзной научной конференции "Проблемы механики подземных сооружений" (Тула, 1982г.); на 8 Всесоюзном семинаре по исследованию горного давления и способов охраны горных выработок (Якутск, 1982г.); на Всесоюзном научном симпозиуме "Тектонические основы и инженерно-теологические аспекты изучения напряженного состояния пород при разведке и эксплуатации месторождений" (Апатиты, 1983г.); на семинаре акад. В.В.Ржевского в МГИ "Давление горных пород" (1984г.); на Всесоюзном семинаре "Применение геофизических методов для изучения скальных оснований" (Солнечногорск, 1985г.), на VII Международной конференции по численным методам в геомеханике (Австралия, 1991г.), на Международном совещании по комплексной разработке рудных месторождений (Мельниковские чтения) (Апатиты, 1995г.)

Публикации. По результатам исследований опубликовано 24 печатных работ, включая две монографии и два авторских свидетельства на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 185 страниц машинописного текста, включая 72 рисунка, 6 таблиц, 5 приложений и списка использованной литературы из 165 наименований.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность профессорам Г.А.Маркову, В.В.Гущину, доктору технических наук А.А.Козыреву за помощь в постановке проблемы, обсуждении результатов и ценные советы. Автор искренне признателен всем сотрудникам лаборатории геомеханики и института за многолетнее и плодотворное сотрудничество и работникам ОАО"Апатит" за

заинтересованность и поддержку в проведении исследований и реализации рекомендаций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Большой вклад в разработку методик прогноза и способов повышения устойчивости капитальных выработок внесли отечественные ученые: И.В.Баклашов, В.Е.Боликов, Н.С.Булычев, Н.П.Влох, П.В.Егоров, А.В.Зубков, Э.В.Каспарьян, Б.А.Картозия, Г.А.Катков, А.А.Козырев, С.В.Кузнецов, М.В.Курленя, А.В.Лов-чиков, Г.АМарков, И.М.Петухов, А.Г.Протосеня, А.А.Филинков, Б.В.Шрепп и другие и зарубежные: Н.Бартон, З.Т.Беньявски, В.Виттке, Х.Г.Денхауз, А.Мирванг и другие.

Анализ работ показал, что проблема прогноза на стадии проектирования выработок и выбора мероприятий по повышению их устойчивости до конца еще не решена, особенно для тектонически напряженных массивов. Методики либо не учитывают напряженное состояние массива, либо учитывают его в упрощенной форме по гравитационной гипотезе, либо для тектонически напряженнных массивов рекомендуют определять величину напряжений инструментальными методами вблизи выработок. Методики не позволяют дифференцировать массивы по ожидаемым формам проявления горного давления при сооружении выработок, а соответственно обоснованно выбирать соответствующие профилактические мероприятия или вид крепления. Из мероприятий по повышению устойчивости выработок в тектонически напряженном массиве используют: рациональную ориентировку выработок по направлению максимального напряжения; оптимальную форму поперечного сечения; рациональное взаимное расположение. Однако многие из этих мероприятий даются в общем виде без учета величины действующих напряжений, что приводит к неоправданно большим расстояниям между выработками или необходимости применения совершенно нетехнологичных форм поперечного сечения. Нет рекомендаций по рациональной последовательности проходки и сбойки горизонтальных выработок и обоснованного выбора участков контура вертикальных выработок для сооружения рассечек и крепления навесного проходческого оборудования или армировки в период эксплуатации. В высоконапряженных массивах, особенно при проявлении горных ударов и техногенных землетрясений, даже монолитная бетонная и железобетонная крепь толщиной 0.5м+1м разрушается, что подтверждает опыт проходки и эксплуатации стволов на Таштагольском руднике и тоннелей и выработок водосборников на Хибинских апатитовых рудниках.

Особенно важен прогноз геомеханических условий на участке сооружения капитальных выработок, чтобы уже на стадии проектирования выбрать рациональные конструкции самих выработок и их комплексов, оптимально разместить и надежно закрепить проходческое оборудование. Слабая изученность в условиях действия тектонических сил закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния вокруг выработок, особенно в их призабой-

ной зоне, где осуществляются все работы по проходке и креплению выработок, предопределяет необходимость тщательного изучения этих особенностей для обоснованного выбора и применения комплекса локальных мероприятий по повышению устойчивости и креплению выработок. В период проходки выработок возникает необходимость в организации постоянного геомеханического контроля состояния пород призабойной зоны с целью разработки или выбора мероприятий по повышению устойчивости выработки и обеспечению безопасности проходческих работ.

Основные результаты диссертационной работы отражены в научных положениях, выносимых на защиту.

1. Методика дифференциации массива по условиям устойчивости выработок и выбора на стадии проектирования мероприятий по их поддержанию с учетом основных инженерно-геологических и геомсханических факторов.

Прогноз условий устойчивости выработок в общем случае осуществляется на основе определения напряжений в приконтурном массиве пород и сравнении их, в соответствии с каким-либо критерием разрушения, с прочностными свойствами пород. Напряжения на контуре выработки определяются исходным напряженным состоянием массива пород на участке сооружения выработки и ее конструкцией. В свою очередь напряженное состояние на участке сооружения выработки определяется следующими факторами: региональным полем напряжений массива пород и его изменением под влиянием рельефа местности, упругих свойств пород, крупных геологических нарушений, интенсивности тре-щиноватости массива пород и очистных пространств. В основу дифференциации массива по условиям устойчивости выработок положена комплексная многофакторная модель изменения напряжений и свойств пород в массиве от перечисленных основных влияющих факторов.

Одним из существенных факторов, влияющим на напряженное состояние массивов пород, является рельеф местности. Численным моделированием и аналитическими методами установлены основные закономерности изменения напряжений под влиянием рельефа местности. Обобщение полученных закономерностей при различных геометрических параметрах рельефа позволило вывести формулы для расчета напряжений на нагорных горизонтах и под дном долин.

Но для каждого месторождения или отдельного рудника, на которых имеются хотя бы несколько точек инструментального определения напряжений, можно сделать прогноз изменения напряженного состояния массива с глубиной, используя законы изменения регионального поля напряжений под влиянием рельефа. Идея состояла в том, чтобы промоделировать конкретный рельеф в точке, где имеется надежное инструментальное измерение напряжений. Далее, при приложении на границе модели единичной нагрузки, получаем изолинии коэффициентов концентрации напряжений в расчетной области. Используя точку измерений напряжений как бы в качестве реперной, восстанавливаем абсолютные значения напряжений во всей расчетной области. Таким образом, появ-

а)

„-бОО

¡¡400

к

5 200

о

и ю

о

20 —I—

Напряжения, МПа 40 60 б> 20 40 60 в)

V

600 -

400-

200-

\

Рис.1. Изменение напряжений с глубиной на Кировском (а), Юкспорском (б), Расвумчоррском и Центральном (в) рудниках. (Пунктир прогноз).

ляется возможность прогноза напряжений на еще не вскрытых глубоких горизонтах рудников.

На рис.1 приведены графики изменения напряжений по глубине для всех рудников ОАО"Апатит", где ведутся подземные горные работы, с прогнозом их величин до нулевой абсолютной отметки. Эти напряжения использованы в качестве исходных напряжений регионального поля для последующего расчета напряжений в районе сооружения выработок под влиянием других факторов.

Для установления закономерностей перераспределения напряжений в разно-модульном слоистом массиве пород при действии нагрузки под различными углами решен ряд задач для случаев трех и пятислойного массива. Обобщение результатов позволило получить зависимость изменения горизонтальных напряжений в рассматриваемом слое в зависимости от соотношения модулей упругости слоев и угла наклона слоя к направлению действия напряжений:

щ - аИ{1 + \{Е0/Е) - 7](/ - л» а)}, (1)

где<7, - напряжение, действующее в рассматриваемом слое (I - 1,2,3), а® - известное напряжение в одном из слоев массива; и Е модули упругости пород слоя с известными напряжениями и рассматриваемого слоя; а - угол наклона рассматриваемого слоя к направлению о/.

Другим фактором, оказывающим влияние на изменение напряжений в массиве пород, являются различного рода крупные геологические нарушения. Установлено, что вблизи контакта с зонами нарушений напряжения, действующие вдоль контакта, увеличиваются в 1.2+2 раза в зависимости от мощности нарушения и модуля упругости заполняющих нарушение пород. Нижний предел относится к маломощным нарушениям с модулем упругости заполнителя, близким к модулю основных пород; верхний предел - для мощных нарушений, с модулем упругости заполнителя значительно меньшим модуля основной породы. Напряжения, действующие перпендикулярные разлому, не изменяются.

Зона существенного влияния нарушения на перераспределение напряжений распространяется примерно на расстояние, равное мощности нарушения. Общая зона влияния нарушения (до 10% от исходных напряжений) распространяется на расстояние до трех мощностей нарушения.

Мелкоблоковая трещиноватость снижает прочность и модуль упругости пород в массиве и, соответственно, напряжения, действующие в трещиноватом массиве. Для оценки этого эффекта можно воспользоваться коэффициентом

структурного ослабления пород (Кс): ас = Кс-а°с . Снижение модуля упругости пород массива (Ет) в зависимости от категории то интенсивности трещино-ватости 1т оценивается по формуле Ет = Е0/\1 + 0.5( 1т-1)], (где Е0- модуль упругости нетрещиноватой породы)

Оценка снижения напряжений в трещиноватом массиве производится по формуле (1), подставив в нее вместо Е значение Ет.

Другой важной характеристикой породы, определяющей формы ее разрушения, является коэффициент хрупкости (Кхр), выражаемый как отношение

предела прочности при одноосном сжатии к пределу прочности при одноосном растяжении: К^ = &с!ар • По коэффициенту хрупкости породы разделяются на

склонные (^ 10) и не склонные (<10) к хрупкому разрушению. Хрупкость - основное свойство породы, определяющее возможность реализации разрушения в динамической форме. Чем выше К^ породы, тем более вероятно ее разрушение в динамической форме, и тем интенсивней это разрушение протекает.

В скальных породах основными формами потери устойчивости выработок в общем случае являются: разрушение пород в зонах высоких концентраций напряжений и вывалообразование пород по трещинам. Прогноз устойчивости и форм проявления горного давления при сооружении выработок в скальных породах производится по критериям, учитывающим соотношение действующих на контуре выработок напряжений и прочности пород, с учетом структурной нарушенное™ и хрупкости пород. Для оценки опасности возникновения различных форм проявления горного давления можно воспользоваться следующими критериями.

Вывалообразование под действием собственного веса блоков пород, оконтуренных плоскостями трещин, происходит при интенсивности трещиноватости 1т >10 шт/пог.м и выполнении условия

у ■ai=2■oi■tg<p, (2)

где у - объемный вес породы; а;- линейные размеры граней структурного блока; сг/- напряжение, действующее на соответствующей грани структурного блока; (р - угол внутреннего трения породы.

Бывало- и заколообразование пород в результате скола по поверхностям естественных ослаблений происходит при выполнении условия:

((ст1-(Г3)/2)-ая2а-(ф2а-&р)ьС+((а1+*з)/2)-1вр ' (3)

Для оценки устойчивости выработки при хрупком разрушении пород в зонах предельных концентраций напряжений достаточно сопоставить прочность породы с действующими на контуре выработай напряжениями. Для этого применим наиболее статистически обоснованный критерий сгд> Кс-ас, (где сгй -напряжение, действующее на кошуре выработки; Кс- показатель, учитывающий (статистически) длительную прочность, структурную нарушенность породы в массиве и другие факторы.)

С учетом этого предлагаемая дифференциация массивов пород по формам проявления горного давления в скальных массивах пород представлена в таблице.

2. Закономерности изменения коэффициентов концентрации главных напряжений в призабойной зоне выработок от вида напряженного состояния массива, позволяющие определить напряжения в любой точке забоя при любых сочетаниях действующих в массиве напряжений.

Уникальная возможность для проверки методики и изучения закономерностей напряженного состояния и разрушения пород в призабойной зоне и стенках выработки была предоставлена при сооружении глубокого рудоспуска №5 Центрального рудника. Данный объект уникален по геомеханическим и технологическим условиям. Рудоспуск, как вертикальная выработка, пересек несколько слоев пород с разными физическими свойствами и различным напряженным состоянием, на большем протяжении он проходился в высоконапряженных уда-роопасных породах. Впервые в мировой практике осуществлялась проходка выработки снизу вверх на высоту 400м и диаметром 5м.

Таблица

Формы проявления горного давления и условия их реализации в скальных _массивах пород_

СТо'СТс Кхр и штм Формы проявления горного давления

стд/стс<0.3 0.3<стд/стс<0.5 любой <10 <10 <10 Устойчивое состояние

Од/сгс<0.3 0.3<ад/сто<0.5 любой любой >10 >15 Вывалы по трещинам, при выполнении условия (2)

0.3<стд/стс<0.5 0.3<ал/ас<0.8 >10 <10 2-15 5-15 Заколообразование при выполнении условия (3)

0.3<стд/ас<0.5 стд/стс>0.5 >10 <10 <15 <15 Постепенное разрушение пород на кошуре в виде шелушения и плитчатого расслоения.

0.5<стд/стс<0.8 >10 <15 Стреляние пород различной интенсивности, активное заколообразование'

стд/стс>0.8 >10 <10 Интенсивное стреляние, динамическое заколообразование пород. Возможны горные удары.

Методом разгрузки определено напряженное состояние массива у подножья рудоспуска. Методом моделирования определено изменение напряжений с глубиной с учетом рельефа поверхности. По керну скважины определены основные физические свойства пород. В соответствии с критериями таблицы произведена дифференциация массива по трассе проходки по условиям устойчивости рудоспуска, определены задачи измерений и контроля состояния пород на различных участках. Разработаны конструкции измерительных станций и разработаны или усовершенствованы методики измерений и контроля.

На участке высоконапряженных пород изучено напряженное состояние на забое ультразвуковым методом. Показано, что наиболее напряженными являются участки со стороны действия максимального напряжения в нетронутом массиве, максимум напряжений при плоском забое находится непосредственно на контуре, что создает условия для стреляния и заколообразования пород. Для повышения безопасности работ предложена полусферическая форма забоя, при которой пригружается центр забоя, развивается микротрещиноватость и максимум напряжений смещается в глубь массива, и стреляние прекращается. Ультразвуковым методом невозможно с большой точностью и по всей плоскости забоя определить напряжения. Поэтому это было выполнено с использованием моделирования методом конечных элементов в объемной постановке. Впервые установлены все девять коэффициентов концентрации напряжений (рис.2) при раздельном приложении нагрузок по каждому из направлений в безраспорной модели, что дало возможность определить эти коэффициенты в "чистом" виде вне зависимости от упругих свойств пород.

В результате, используя принцип суперпозиции, имеется возможность легко определить суммарные напряжения в каждой точке забоя при любом виде напряженного состояния нетронутого массива пород. Установлено, что снижение

напряжений при удалении от забоя в массив до уровня, не превышающего 5% от напряжений нетронутого массива, происходит на расстоянии 1.5 радиуса выработки, что почти в 2 раза быстрее, чем вблизи стенок.

На контуре выработок вдали от забоя для условий плоской деформации напряжения определяются по известным формулам Кирша и Мусхелишвшш, а в призабойной зоне, где эти аналитические зависимости неправомерны, методом моделирования в объемной постановке определены закономерности изменения напряжений на контуре. Установлено. что вблизи забоя происходит снижение коэффициентов концентрации

2,5 2

я

5 1,5

а § 1 х к в

Я 0,5

а. 2

I О

и

-0,5

1,

-5-

---.—

9.

-¿Я

А. РУА - я

ОД

0,4 0,6 ХЖ

Рис.2. Коэффициенты концентрации напряжений на забое выработки по оси Л' при действии боковых напряжении ах°, (Ту и осевого а,0.: 1- оа; 2 - <у>х; 3 - а1г_; 4 - 5 - <т>т; б - а,у: 7 - (Тхг; 8 - 9 - аь

0.8

тангенциальных напряжений на контуре выработок: для круглой с 3.0 до 1.8, а для сводчатой с »2.5 до 1.6 (для случая одноосной нагрузки). Снижение напряжений начинается с расстояния до забоя, равного двум диаметрам или наибольших размеров выработки. Это объясняет наблюдаемое на практике повторное усиление процессов разрушения уже на пройденном участке выработки с отходом забоя от него, что ранее связывали с временными процессами вариации интенсивности разрушений.

Однако по указанным формулам и данным численного моделирования невозможно определить динамику разрушения стенок. Участки стенок рудоспуска со стороны минимальных напряжений в нетронутом массиве, где тангенциальные напряжения превышали 0.8сгс, разрушались интенсивно, и за шесть часов после отпала разрушения развивались на глубину до одного метра. Была опасность захвата разрушениями и стенки, где закреплен монорельс проходческого комплекса, поэтому здесь были заложены ультразвуковые станции и периодически проводились повторные измерения скоростей. Контроль показал, что стенка, где тангенциальные напряжения не превышали 0.3<тс, была устойчива в течение всего периода проходки.

Изучение закономерностей разрушения пород в забое проводилось методом регистрации и анализа акустической эмиссии, для чего был создан специальный датчик, позволивший вести регистрацию высокочастотной эмиссии в условиях сильных динамических воздействий взрывов и электромагнитных помех. Установлено время отстоя забоя после взрывных работ при проходке на участках массива с различным уровнем напряженности и после массовых взрывов в карьере. На участках высоконапряженных пород, с уровнем тангенциальных напряжений на контуре сто ^ 0.8сгс, процесс интенсивного стреляния и заколо-образования завершается через (4*6)ч, а снижение интенсивности трещинообра-зования до фонового уровня происходит через (10+12)ч после взрывных работ; на участке с 0.5сгс <, ад < 0.8ас заколообразование прекращается через (1*2)ч, трещинообразование через (2+3)ч; на участке слабонапряженных пород с сго <0.5сгс процесс захолообразования отсутствует, а трещинообразование после взрывных работ завершается примерно через 1ч. После массовых взрывов в карьере при расстоянии до взрыва более 100м процессы разрушения в забое завершаются через 15 минут.

3. Зависимость величины разрушения рудоспусков в процессе эксплуатации от степени напряженности их контура (ад¡ас ) и объема перепущенной руды ((?, млн.т) для условий апатитовых месторождении, имеющая вид: Ь = 2 • 0.02е2-87^ав1сУ^ , и

В работе исследовалось разрушение стенок рудоспусков в процессе их эксплуатации. На Центральном руднике ОАО"Апатит" эксплуатировалось пять рудоспусков, имеющих различную конструкцию бункеров, по которым перепущено различное количество руды. Поэтому разрушения их различно. Периодичес-

кие фотопланиметрические съемки сечений рудоспусков и фиксация максимальных разрушений контура во времени позволили установить причины, закономерности и скорости разрушения рудоспусков. Анализ причин разрушения показал, что все разрушения в рудоспусках и их бункерах происходят под воздействием или комбинации воздействий следующих факторов: 1) напряженного состояния массива пород; 2) геолого-структурных особенностей массива пород; 3) динамического воздействия массовых взрывов; 4) динамического воздействия взрывов при ликвидации зависаний руды в бункерах и дроблении негабаритов; 5) динамических воздействий на стенки от падающих кусков руды; 6) истирания стенок при движении руды в бункерах; 7) динамических воздействий от толчков в массиве пород; 8) микроударов и горных ударов на стенках рудоспусков и их бункеров.

Показано, что основные закономерности разрушения поперечного сечения рудоспусков определяются напряженным состоянием массива пород, а величина разрушения степенью напряженности участка контура и объемом перепущенной руды. Для рудоспусков с различной формой поперечного сечения бункеров и стволов, при разшгшом уровне напряжений на их контуре, при заданном объеме перепущенной руды установлена зависимость величины разрушения от этих факторов:

Ь^й-ОМ-е2-875*00'0'*, м

4. Зависимость оптимальной глубины разгрузочной щели от соотношения модулей упругости массива пород (Ем), модуля деформации заполнителя щели (Ещ)п диаметра выработки (Л) с учетом мощности зоны нарушенных пород (1Н):

а) в кровле (стенках) выработки- 1Щ = (1) + 21н){о.225 -Ещ/

б) в забое выработки- 1Щ = (/> + 21н )(о.18 - 0.6 ■ Ещ /Е„)

Наиболее радикальным способом снижения напряжений на контуре выработок и обеспечения их устойчивости практически без креплеши является образование в их прикотурной зоне разгрузочных щелей. Методом моделирования в объемной постановке определены закономерности перераспределения напряжений при различном расположении щелей относительно забоя выработки. Установлено, тс> при напряжениях в нетронутом массиве агпах =(0.25-0.35) сгс разгрузочная щель может создаваться в кровле с отставанием от забоя. При гттах =(0.35-0.45) ас щель для разгрузки кровли может создаваться как до плоскости забоя, так и с опережением забоя. Причем, когда щель образуют с опережением забоя, достигается более эффективная разгрузка кровли вблизи забоя, но одновременно существенно пригружается забой выработки, особенно в верхней части. Наиболее рациональным является вариант, при котором щель постоянно поддерживается вровень с забоем, причем щель в кровле должна образовываться одновременно с подвиганием забоя. При апшх >0.45 ас, когда

необходимо снизить напряжения и на поверхности забоя, разгрузочная щель создается в кровле и забое одновременно.

Определена оптимальная глубина щели в кровле и забое выработки в зависимости от упругих свойств заполнителя щели. При задании свойств заполнителя щели (Ещ ) отличными от нуля 0< Ещ < Ем (Ем - модуль упругости массива),

произошло не только уменьшение степени разгрузки горной выработки, но и качественное изменение закономерностей, связывающих напряженное состояние прикошурного массива с глубиной разгрузочной щели. Исследование влияния глубины щели с заполнителем 0< Еи{ < Ем показывает, что зависимость между степенью разгрузки прикошурного массива от глубины щели имеет явно выраженный нелинейный характер (рис.3), иными словами, существует некоторая оптимальная глубина разгрузочной щели, при которой, при заданном значении модуля деформации щели, разгрузка контура выработки в наиболее напряженной точки максимальна. Если увеличить глубину щели более оптимального значения, то вблизи наиболее напряженной точки контура выработки происходит увеличение напряжений. Аппроксимация прямой точек с наибольшей степенью разгрузки, дает выражения для оптимальной глубины щели:

в кровле (стенках) выработки: 1опт = (В + 21и}{о.225 - Ещ / Ем^ ,м; в забое

выработки: 1опт =(В + 21н ){о.18 - 0.6 ■ Ещ / Ем ) м

На основе проведенных исследований разработан алгоритм и программа для автоматизированного прогноза состояния и выбора рекомендаций по повышению устойчивости выработок с учетом влияния основных геологических и техногенных факторов (рис.4). Разработаны номограммы для выбора оптимального поперечного сечения выработок и расстояния между ними с учетом величины действующих напряжений и прочности пород. Обоснованы рекомендации по выбору участков контура вертикальной выработки с наименьшими напряжениями для сбойки ее с горизонтальными выработками, по расположению проходческого оборудования в период сооружения и армировки при эксплуатации

Рис.3. Зависимость концентрации напряжений от глубины щели в кровле (а) и забое (б) выработки при различных отношений модулей упругости заполнителя щели к модулю упругости пород Ки/Е» 1 - 0; 2 - 0.01; 3 - 0.025; 4 - 0.1; б - 0.05; 5 и 7 - прямые, отражающие оптимальную глубину щелей при различных Ки/Е.

Рис.4. Блок-схема алгоритма прогноза и выбора мероприятий по повышению устойчивости выработок. crv° - измеренные или прогнозные напряжения в нетронутом массиве,; <ус° • прочность породы при сжатии в образце; Ео - модуль упругости породы, где измерены оц°; 1т - интенсивность трещиповатости; асл - угол наклона рассматриваемого слоя к направлению cr,f; а - форма поперечного сечения выработки; Кхр - коэффициент хрупкости; L,, - параметры ближайшего разлома; Lon - размеры очистного пространства; Хо и Y о - координаты рассматриваемой точки; L..„ - параметры рельефа.

выработки. Предложены рациональные формы забоя и способы защиты контура выработки локальными щелями, а также региональная разгрузка массива щелями для защиты бункеров. Определена последовательность проходки и порядок сбойки при сооружении комплексов горизонтальных выработок. Очередность проходки и сбойки выработок должна быть следующая: первыми должны проходиться выработки, расположенные перпендикулярно наибольшему горизонтальному напряжению ctj . Далее их сбойку с выработками, параллельными <7$, можно осуществлять несколькими способами (в порядке повышения опасности работ по фактору горного давления): 1) вывести сопрягаемую выработку из первой; 2) из первой выработки сделать засечку1 длиной не менее двух диаметров выработки, с которой встречными забоями сбивать вторую выработку; 3) сопрягать вторую выработку с первой "в присечку". Если невозможно первой пройти выработку, перпендикулярную сг*, то сопряжение выработок произво-

дить только выводом выработки, перпендикулярной а3, из выработки, параллельной

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные выводы и практические результаты проведенных исследований заключаются в следующем:

1. На основе комплексных инструментальных измерений и численного моделирования установлены закономерности изменения тектонических напряжений с глубиной для всех рудников Хибинских апатитовых месторождений, и дан прогноз их изменений до нулевой абсолютной отметки.

2. Разработана инженерная методика дифференциации массивов скальных тектонически напряженных пород по условиям устойчивости выработок, в основу которой положен принцип последовательного учета влияния основных геологических и техногенных факторов на изменение напряжений и свойств пород в массиве. Разработан алгоритм для автоматизированной оценки на стадии проектирования состояния выработки и выбора мер по повышению ее устойчивости.

3. Натурными методами и численным моделированием установлены закономерности напряженно-деформированного состояния пород в призабойной зоне выработок. Впервые установлены все девять коэффициентов концентрации напряжений при раздельном приложении нагрузок по каждому из направлений в безраспорной модели, что дало возможность определить эти коэффициенты в "чистом" виде вне зависимости от упругих свойств пород. В результате, используя принцип суперпозиции, имеется возможность определять суммарные напряжения в любой точке забоя при любом виде напряженного состояния массива пород.

4. Установлено, что в высокопрочных скальных массивах максимум напряжений при плоском забое находится непосредственно на его контуре, что при плоско-напряженном состоянии пород на контуре предопределяет проявления горного давления в виде стреляния и динамического заколообразования. Снижение интенсивности или предотвращение проявлений стреляния и заколообразования пород достигается применением полусферической или шатровообразной формами забоев, при которых с возрастанием концентрации напряжений в центральной части забоя происходит развитие трещиноватой зоны в прикон-турной части и перемещение максимума напряжений в глубь массива, где породы, находясь в объемном напряженном состоянии, имеют большую прочность, чем на контуре забоя.

5. Инструментальными методами изучены закономерности разрушений пород в призабойной зоне выработки и установлено время отстоя забоя при проходке на участках массива пород с различным уровнем напряжений.

6. Установлены основные природные и техногенные факторы и степень их влияния на закономерности и скорость разрушения рудоспусков и их бункеров в

процессе их эксплуатации. Показано, что основные закономерности разрушения определяются видом и величиной напряжений в нетронутом массиве пород. Скорость и величина разрушения определяются совместным влиянием величины тангенциальных напряжений на контуре рудоспуска и объемом перепущенной руды.

7. Определены закономерности перераспределения напряжений на контуре выработок при применении разгрузочных щелей в зависимости от свойств заполнителя щели и ее глубины. Установлены оптимальные глубины щели на контуре и в забое выработки и оптимальное расположения щелей относительно плоскости забоя в зависимости от величины действующих в массиве напряжений

8. Разработаны и доведены до практической реализации способы управлением горным давлением и повышением устойчивости комплексов капитальных выработок в тектонически напряженных массивах пород апатитовых рудников Хибинского массива.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Проходка сверхглубоких рудоспусков на Центральном руднике производственного объединения «Апатит»: Информ. - метод, материалы / ПО Апатит; АН СССР, Кол. фил., Горн, ин -т; Сост.: В.В.Гущин, Г.А.Марков, А.А.Козырев, В.А.Мальцев . - Кировск, 1982. - 39с.

2. Методические указания по сооружению протяженных вертикальных выработок способом снизу вверх в высоконапряженных породах /АН СССР, Кол. фил., Горн, ин-т; ПО Апатит; Сост.: Г.А.Марков,В.В. Гущин, А.А.Козырев, В.А.Мальцев и др. - Апатиты, 1983. - 86с.

3. Марков Г.А.. Козырев A.A.. Мальцев В.А. Геомеханические основм способов охраны глубоких рудоспусков большого сечения при их проходке снизу вверх в высоконапряженных породах // Крепление, поддержание и охрана горных выработок. - Новосибирск, 1983. - С.64-68.

4. A.c. 1059970 СССР, МКИ Е21 ДЗ/00. Способ проведения вертикальной горной выработки / Г.А.Марков, В.В.Гущин, А.А.Козырев, В.А.Мальцев, Ю.П.Сизов; АН СССР. Кол. фил., Горн. ин-т. -№3381718/22-03; Заявл. 18.01.82; Опубл. 07.12.83, Бюл. № 45.

5. Козырев A.A., Мальцев В.А. Система оперативной диагностики и контроля состояния массива пород при проходке вертикальных выработок в тектонически напряженных массивах //Горное давление в капитальных и подготовительных выработках. - Новосибирск, 1983. - С.68-72.

6. Мальцев В.А. Определение напряженного состояния пород и прогноз различных форм проявления горного давления при проходке глубоких рудоспусков рудника «Центральный» // Совершенствование способов разработки и обогащения руд месторождений Кольского полуострова: Тр. II науч.-техн. конф. мо-

лодых ученых Горн, ин -та Кол. фил. АН СССР, Апатиты, 4-5 дек. 1980 г. -Апатиты, 1982. - С.32-37. - Деп. в ВИНИТИ 11.02.83, №773 - 83.

7. Мальцев В. А. Изменение устойчивости пород забоя при проходке вертикальных выработок снизу вверх И Механика подземных сооружений. - Тула, 1983.-С.110-112.

8. Соколов Г.А.. Мальцев В.А. Результаты изучения акустической эмиссии пород по данным измерений при проходке глубоких рудоспусков производственного объединения «Апатит» // Добыча и обогащение руд месторождений Кольского полуострова. - Апатиты, 1983. - С.25-30.

9. Геомеханические аспекты сооружения вертикальных выработок большого сечения способом снизу вверх в тектонически напряженных массивах: Метод, разраб. для спец. 0201, 0202, 0206, 0209, 0210,0506,0634 по курсу «Физика горных пород», разд. «Горное давление» III. Подземные горные работы / Сост. А.А.Козырев, В.А.Мальцев. -М.: Моск. горн, ин -т, 1984. - 2с.

10. Мальцев В.А., Соколов Г.А. Взаимосвязь характера акустической эмиссии с особенностями напряженного состояния массива пород // Изменения напряженно - деформированного состояния и свойств пород в массиве при отработке месторождений полезных ископаемых. - Апатиты, 1984. - С. 106-111.

11. Мальцев В.А., Соколов Г.А. Диагностика состояния массива и прогноз вывалообразования пород из забоя вертикальной выработки, сооружаемой способом снизу вверх // Тр. III обл. науч.-техн. конф. молодых ученых и спец. по вопросам горной науки, 12-16 февр. 1984 г. - Апатиты, 1984. -Ч.1.- С. 164-170. Деп. в ВИНИТИ 23.06.87, № 4543.

12. Markov G.A., Kozyrev A.A., Maltsev V.A. Geomechanische Aspekte bei Schachtbauten in einem Tektonisch beans pruehten Felsmassiv // Felsbau. - 1986. -№1. - P.23-25.

13. Белов Н.И., Мальцев В.А. Напряженное состояние в окрестности забоя горной выработки II Разработка и совершенствование способов и средств добычи и обогащения полезных ископаемых Кольского полуострова. - Мурманск, 1987. - С. 6-7.

14. Козырев A.A., Мальцев В.А., Савченко С.Н. Прогноз напряженного состояния массива пород на глубоких горизонтах Хибинских рудников на основе инструментальных определений // Напряженно - деформированное состояние массивов горных пород. - Новосибирск, 1988. - С. 112-117.

15. Инструкция по креплению горных выработок на рудниках производственного объединения "Апатит" / ПО"Апатит; Горный институт КФ АН СССР. Сост.: Ю.В.Демидов, В.И.Иванов, А.А.Козырев, В. А.Мальцев и др. - Апатиты-Кировск, 1988. -67с.

16. Влияние разгрузочной щели на напряженное состояние призабойной части горной выработки / А.А.Козырев, В.А.Мальцев, В.В.Павлов, С.Н.Савченко II Устойчивость выработок в сложных условиях. - Л., 1990. - С.46-49.

17. Мальцев В. А., Павлов В.В. К вопросу оптимизации расположения комплекса выработок в тектонически напряженном массиве И Проблемы добычи и

обогащения руд: Тез. докл. VI регион, науч. - техн. конф. молодых ученых и специалистов. -Апатиты, 1990. - С.37-38.

18. The influence of relief slot on the stress state of mine tunnel preface area /

A. A.Kozyrev, V.A.Maltsev, V.V.Pavlov, S.N.Savchenko // Computer Methods and Advances in Geomechanics : Proceedigs of the Seventh International Conference on Computer Metods and Advances in Geomechanics, Cairns. 6-10 May 1991. - Rotterdam: A.A.Balkema, 1991. - P.1365-1368.

19. A.c. 1739040 Россия, МКИ E21 Д11/00. 20/00. 39/00. Способ разгрузки контура горной выработки от сжимающих напряжений / A.A. Козырев.

B.А.Мальцев. В.В.Павлов, С.Н.Савченко; РАН , Кол. науч. центр. Горн. ин-т. -№ 4662061/03; Заявл. 30.01.89; Опубл. 07.06.92, Бюл. №21.

20. Указания по безопасному ведению горных работ на Хибинских апатито -нефелиновых месторождениях, склонных к горным ударам / ПО Апатит; РАН. Кол научи, центр. Горн, ин -т; Сост.: Н.И.Белов. В.И.Иванов, А.А.Козырев, В.А.Мальцев и др. - Апатиты, 1992. - 66с.

21. Козырев A.A., Савченко С.Н., Мальцев В.А. Разработка методических принципов диагностики тектонических напряжений в верхней части земной коры с целью управления динамическими проявлениями горного давления: Препр.

- Апатиты, 1994. - 66с.

22. Обоснование параметров щелевой разгрузки горных выработок / А.А.Козырев, В.В.Павлов, В.А.Мальцев, С.Н.Савченко // Комплексная разработка рудных месторождений и вопросы геомеханики в сложных и особо сложных условиях: Тр. Междунар. совещ. - Апатиты, 1995. - С.32-37.

23. Управление горным давлением в тектонически напряженных массивах / А.А.Козырев, В.И.Панин, В.И.Иванов и др.; РАН, Кол. науч. центр. Горн, ин -т.

- Апатиты, 1996. - 4,1 - 159 е.; Ч.И - 162с.

24. Глубокие рудоспуски / В.В.Гущин, Ю. А.Епимахов, А.А.Козырев и др. -Апатиты: изд. Кол. науч. центр РАН, 1997. - 195 с.

/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК КОЛЬСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Мальцев Виктор Анатольевич

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПРОГНОЗА И ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ КОМПЛЕКСОВ КАПИТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В СКАЛЬНЫХ

ВЫСОКОНАПРЯЖЕННЫХ МАССИВАХ ПОРОД (НА ПРИМЕРЕ РУДНИКОВ ХИБИНСКИХ АПАТИТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ)

Специальность 05. 15. 11 - "Физические процессы горного производства"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: докт.техн.наук А.А.Козырев

АПАТИТЫ -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................. 6

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОГНОЗА, КОНТРОЛЯ И МЕР ПО СНИЖЕНИЮ ОПАСНОСТИ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ СООРУЖЕНИИ КОМПЛЕКСОВ КАПИТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В ВЫСОКОНАПРЯЖЕННЫХ МАССИВАХ ПОРОД.......................................... 14

1.1. Особенности проявлений горного давления при сооружении комплексов капитальных выработок в скальных высоконапряженных породах.......................................................................................................... 14

1.2. Критерии разрушения хрупких скальных пород и методики прогноза устойчивости выработок.............................................................................. 20

1.3. Состояние проблемы обеспечения устойчивости выработок в тектонически напряженных массивах............................................;............ 28

1.4. Цель и задачи исследований........................................................................ 38

2. ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ОБЩЕЙ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................................................... 40

2.1. Методы определения напряженного состояния массива пород на стадии проектирования сооружения выработок...................................................... 40

2.2. Способы и методики определения напряженного состояния и устойчивости выработок при проходке на участках

высоконапряженных удароопасных пород.................................................. 45

2.3. Совершенствование аппаратуры и методики для исследования

процессов разрушения во времени и определения времени отстоя забоя. 50

2.4. Совершенствование методики прогноза вывалообразования из забоя рудоспусков при проходке на участках нарушенных пород...................... 52

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ ТЕКТОНИЧЕСКИ НАПРЯЖЕННЫХ МАССИВОВ ПО УСЛОВИЯМ УСТОЙЧИВОСТИ ВЫРАБОТОК....................................................................... 55

3.1. Методические принципы прогноза условий устойчивости выработок в скальных тектонически напряженных массивах пород.............................. 55

3.2. Изменение напряженного состояния массива пород с глубиной в условиях гористого рельефа на Хибинских рудниках................................ 56

3.3. Влияние факторов слоистости массива, изменения упругих свойств

пород и трещиноватости на изменение напряжений в массиве пород...... 62

3.4. Прочностные и упругие свойств пород и их изменение под воздействием факторов минерального состава и степени трещиноватости............................................................................................ 64

3.5. Закономерности распределения напряжений на контуре горных выработок в тектонически напряженных массивах пород......................... 66

3.5.1. Распределение напряжений на контуре горных выработок за пределами влияния забоя................................................................... 66

3.5.2. Закономерности распределения напряжений в призабойной зоне выработок............................................................................................ 68

3.6. Исследование влияния разгрузочных щелей на перераспределение напряжений в приконтурной зоне выработки............................................. 72

3.7. Дифференциация участков массива по условиям устойчивости пород и формам проявления горного давления........................................................ 79

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ПОРОД ПРИ СООРУЖЕНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ КАПИТАЛЬНЫХ

РУДОСПУСКОВ НА ЦЕНТРАЛЬНОМ РУДНИКЕ О АО" АПАТИТ".............. 84

4.1. Определение и анализ исходных геомеханических условий массива

пород в районе сооружения рудоспусков.................................................... 84

4.1.1. Особенности геологического строения массива пород.................... 84

4.1.2. Физические свойства пород............................................................... 87

4.1.3. Напряженное состояние нетронутого массива пород в районе сооружения рудоспусков.................................................................... 90

4.1.4. Исследование влияния рельефа дневной поверхности на

изменение напряженного состояния массива пород......................... 92

4.1.6. Дифференциация массива по условиям устойчивости и формам

проявления горного давления............................................................ 94

4.2. Экспериментальные исследования распределения напряжений в призабойной зоне рудоспуска...................................................................... 96

4.3. Изучение процессов разрушения пород в призабойной зоне рудоспуска

во времени..................................................................................................... 101

4.4. Инструментальный контроль изменений напряженного состояния и разрушения пород во времени в различно ориентированных стенках рудоспусков в период проходки.................................................................. 106

4.5. Диагностика состояния пород в призабойной зоне выработки при проходке на участках сильно трещиноватого и нарушенного массива..... 109

4.6. Оценка сейсмической опасности массовых взрывов в карьере Центрального рудника.................................................................................. 116

4.7. Закономерности разрушения рудоспусков в процессе их эксплуатации... 119

4.7.1. Особенности разрушения бункеров по данным специальных

съемок и наблюдений......................................................................... 119

4.7.2. Анализ причин разрушения стволов и бункеров рудоспусков........ 124

4.7.3. Причины разрушения нижней части бункеров рудоспусков в

районе выпускных устройств............................................................. 127

5. ОБОСНОВАНИЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЯВЛЕНИЯМИ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТ ПРИ СООРУЖЕНИИ КАПИТАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК....................................................... 132

5.1. Выбор оптимальных конструкций вертикальных выработок, расположения крепления проходческого комплекса и армировки............ 132

5.2. Обеспечение устойчивости комплексов горизонтальных выработок........ 137

5.3. Повышение устойчивости призабойной зоны горных выработок............. 139

5.4. Примеры практического применения разработанных рекомендаций........ 145

5.4.1. Геомеханическое обеспечение сооружения рудоспусков №№ 4 и

5 Центрального рудника О АО" Апатит"........................................... 145

5.4.2. Рекомендации по сооружению рудоспусков №№ 6 и 7 Центрального рудника ОАО"Апатит".............................................. 148

5.4.3. Рациональное расположение комплекса выработок главного водоотлива гор.+92м Кировского рудника. ОАО"Апатит"............. 151

5.4.4. Рациональные расположение и последовательность проходки выработок околоствольного двора главного ствола на гор.+172м Кировского рудника. ОАО"Апатит"................................................. 154

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................... 156

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................... 160

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................................................ 176

1. Проект бурения разгрузочных скважин по штольне временного подъездного пути к рудоспуску№6 Центрального рудника ОАО"Апатит".. 176

2. Проект расположения вспомогательных выработок рудоспусков №№ 6 и

7 Центрального рудника ОАО"Апатит"......................................................... 177

3. Протокол научно-технического совещания по рассмотрению проблемы проходки сверхглубоких рудоспусков большого сечения с использованием проходческого комплекса "Алимак" на ПО"Апатит"......... 178

4. Выписка из протокола №14 заседания семинара "Давление горных

пород". Московский горный институт, 26 марта 1984г................................. 191

5. Акт внедрения "Проходка глубоких рудоспусков Центрального рудника ПО"Апатит" с применением проходческого комплекса "Алимак в

высоко напряженных породах"........................................................................ 194

ВВЕДЕНИЕ

В общем комплексе горных выработок, сооружаемых в процессе строительства горных предприятий и других подземных объектов, особое место занимают капитальные выработки, открывающие доступ к подземным объектам и служащие основными транспортными артериями. А сооружение вертикальных выработок является наиболее ответственным процессом во всем комплексе горных работ, составляющим по затратам до 30% - 40% от стоимости строительства всего горного предприятия.

В настоящее время происходит постоянное усложнение горнотехнических условий разработки месторождений в связи с углублением горных работ и переходом к совместной открыто-подземной и повторной разработке месторождений. Значительное число рудников страны (Кавказ, Урал, Горная Шория, Норильск, Кольский полуостров) и мира (страны Средней Азии, Австралии, Канады, США, Южной Африки и др.) ведет добычу полезных ископаемых в массивах, подверженных действию высоких субгоризонтальных тектонических напряжений, превышающих (в 5-10 раз) гравитационные напряжения. Проблема управления горным давлением и обеспечения устойчивости горных выработок на больших глубинах сама по себе одна из самых актуальных и сложных задач современной горной науки. В тектонически напряженных массивах сложность этих проблем возрастает, поскольку проявления горного давления приобретают в ряде случаев принципиально иной характер и меняется само понятие больших глубин и опасность динамических проявлений горного давления возникает уже на глубинах 50м - 200м. Поэтому сооружение горных выработок или их комплексов в высоконапряженных удароопасных породах требует тщательного изучения геомеханических условий геологической среды, в которой возводятся указанные объекты. Если возводимые выработки или их комплекс по своей конструкции соответствуют сложившимся природным условиям напряженного состояния и свойств массивов пород, ожидаемому естественному изменению во времени этих показателей, то при строительстве и эксплуатации такого комплекса потребуются минимальные затраты на предотвращение вредных проявлений горного давления.

Поэтому особенно важен прогноз геомеханических условий на участке сооружения выработок, чтобы уже на стадии проектирования выбрать рациональные конст-

рукции самих выработок и их комплексов, оптимальное размещение и надежное крепление проходческого оборудования.

Слабая изученность в условиях действия тектонических сил закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния вокруг выработок, особенно в их призабойной зоне, где осуществляются все работы по проходке и креплению выработок, предопределяет необходимость тщательного изучения этих особенностей для обоснованного выбора и применения комплекса локальных мероприятий по повышению устойчивости и крепления выработок для обеспечения безопасности проходческих работ и дальнейшего безремонтного их поддержания в процессе эксплуатации.

В период проходки выработок возникает необходимость в организации постоянного геомеханического контроля состояния пород призабойной зоны с целью разработки или выбора мероприятий по повышению устойчивости выработки и обеспечению безопасности проходческих работ.

В связи с этим совершенствование конструктивных параметров и способов сооружения капитальных выработок является важной научно-производственной проблемой.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методики прогноза и рекомендаций по обеспечению устойчивости комплексов капитальных выработок в скальных высоконапряженных породах.

Основная идея заключается в повышении устойчивости комплексов выработок за счет максимального использования несущей способности пород путем выбора конструкции выработок, наиболее соответствующей природным условиям напряженного состояния и свойствам массивов.

Задачи исследований:

1. Исследование закономерностей изменения напряженного состояния массива пород под влиянием основных геолого-структурных и техногенных факторов и создание инженерной методики геомеханической дифференциации массивов по условиям устойчивости выработок.

2. Изучение закономерностей напряженного состояния пород в призабойной зоне выработок при действии в массиве тектонических напряжений.

3. Исследование динамики напряженного состояния и разрушения выработок в процессе их сооружения и эксплуатации.

Разработка рекомендаций по повышению устойчивости комплексов капитальных выработок в скальных высоконапряженных массивах пород.

Методы исследования: обобщение и анализ практики сооружения выработок в высоконапряженных породах, аналитические методы механики сплошной среды, моделирование численными методами, преимущественно в объемной постановке, лабораторные исследования физических свойств пород, натурные измерения, с применением широкого комплекса инструментальных методов.

Научная новизна работы заключается

- в установлении закономерностей изменения тектонических напряжений с глубиной для всех рудников Хибинских апатитовых месторождений и прогнозе их изменений до нулевой абсолютной отметки.

- в развитии принципов геомеханического прогноза условий сооружений и выбора способов обеспечения устойчивости выработок на стадии проектирования;

- в установлении закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния массива пород вокруг выработок и форм проявления горного давления при их проходке различных по условиям напряженности и физическим свойствам скальных породах;

- в определении экспериментальными методами в натурных условиях характера распределения напряжений в призабойной зоне выработок при различных формах забоев при действии в массиве горизонтальных напряжений;

- в обосновании и разработке системы геомеханического контроля состояния массива пород при проходке выработок в скальных высоконапряженных массивах;

- в установлении причин и закономерностей разрушения рудоспусков в процессе эксплуатации;

- в определении оптимального расположения разгрузочных щелей относительно забоя и их глубины в зависимости от размеров горной выработки, величины действующих в массиве напряжений и технологии сооружения щели (способ защиты выработок защищен авторским свидетельством);

- в разработке рекомендаций по выбору на стадии проектирования рациональных конструкций вертикальных выработок с комплексом вспомогательных, размещении и креплении проходческого оборудования (способ проходки защищен авторским свидетельством), а также разработки способов управления проявлениями горными давлениями при проходке комплексов выработок в высоконапряженных породах.

Научные положения, выносимые на защиту:

- методика дифференциации массива по условиям устойчивости выработок и выбора на стадии проектирования мероприятий по их поддержанию с учетом основных инженерно-геологических и геомеханических факторов, отличающаяся тем, что позволяет по измерениям напряжений в одной или нескольких реперных точках массива, с использованием установленных закономерностей определять напряженное состояние в любой точке массива и прогнозировать ожидаемые формы проявления горного давления и необходимые мероприятия по повышению устойчивости выработок;

- закономерности изменения коэффициентов концентрации главных напряжений в призабойной зоне выработок от вида напряженного состояния массива, позволяющие определить напряжения в любой точке забоя при любых сочетаниях действующих в массиве напряжений;

- зависимость оптимальной глубины разгрузочной щели от соотношения модулей упругости массива пород (Ем), модуля деформации заполнителя щели (Ещ) и диаметра выработки (1)) с учетом мощности зоны нарушенных пород (/„):

а) в кровле (стенках) выработки- 1Щ =(/> + 21н)(о.225 - Е Щ/Ем)

б) в забое выработки- 1Щ - (В-\-21н}{0.18-0.6-Ещ/Ем)

- зависимость величины разрушения рудоспусков в процессе эксплуатации от степени напряженности их контура и объема перепущенной руды ((?, млн.т) для условий апатитовых месторождений, имеющая вид: Ь = ()-0.02е2'875^ав^<7с^, м

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обоснована:

- данными практики сооружения горных выработок на рудниках ОАО"Апатит" в условиях действия тектонических напряжений за 20- летний период;

- совокупностью натурных наблюдений и исследований при сооружении рудоспусков Центрального рудника ОАО"Апатит" с использованием апробированных методов и средств контроля состояния массива, а также методов и средств, разработанных в процессе выполнения работы;

- сходимостью результатов натурных исследований, выполненных ультразвуковым, сейсмоакустическим, реометрическим, а также соответствием полученных натурных результатов с результатами аналитических расчетов и данными моделирования и с аналогичными результатами других исследователей в сходных геомеханических условиях;

- положительными результатами внедрения способов управления горного давле�