автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование местоположения горнотехнических сооружений рудника в осушаемой толще осадочных пород

у!/^ /Эп/* —.....г

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московский государственный горный университет Белгородская государственная технологическая академия

На правах рукописи

ЧЕРНЫШ Александр Сергеевич

ОБОСНОВАНИЕ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ РУДНИКА В ОСУШАЕМОЙ ТОЛЩЕ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Специальность 05.15.02 - Подземная разработка месторождений

полезных ископаемых

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: профессор, доктор технических наук Казикаев Д.М.

доцент, кандидат технических наук Филиппов В.И.

Москва 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение........................................................................................................-4

1. Анализ характера деформаций массива горных пород при осушении.......................................................................................................8

1.1 Влияние полей деформаций осушаемого массива на схему вскрытия месторождений полезных ископаемых..............................8

1.2 Натурные наблюдения.......................................................................14

1.3 Процессы и явления, наблюдаемые в массивах горных пород

при водопонижении...........................................................................31

1.4 Методы расчета деформаций массива горных пород при водопонижении................................................................................... 32

1.5 Лабораторные исследования процессов деформирования

горных пород при водопонижении.................................................44

2. Исследования закономерностей деформирования толщи осадочных пород при осушении..................................................................53

2.1 Методы исследования......................................................................53

2.2 Материалы, экспериментальное оборудование и методика моделирования.................................................................................55

2.3 Схемы моделирования.....................................................................59

2.4 Проведение и результаты экспериментов.......................................63

3. Анализ результатов лабораторных исследований и разработка рекомендаций!..............................................................................................87

3.1 Анализ результатов физического моделирования..........................87

3.2 Рекомендации по расчету горизонтальных смещений осушаемого массива осадочных пород......................................... 114

3.3 Управление напряженно-деформированным состоянием сооружений в осушаемом массиве................................................. 123

Заключение Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Отличительной особенностью развития горнорудной промышленности на современном этапе является усложнение горно-геологических условий добычи полезных ископаемых. Особое внимание при эксплуатации месторождений уделяется безопасности технологических процессов и производств.

Шахтные стволы являются наиболее ответственными и сложными инженерными сооружениями, которые служат главной транспортной магистралью, связывающей подземное и поверхностное хозяйство. В критических ситуациях от надежности и устойчивости крепи шахтных стволов зависит не только работа инженерных коммуникации и оборудования, но и жизнь людей, для которых шахтный ствол является основной магистралью, обеспечивающей нормальную жизнедеятельность при производстве подземных работ.

20 июня 1997 года Государственной Думой Российской Федерации принят закон «О промышленной безопасности производственных объектов», где «предприятия, ведущие работы в подземных условиях, отнесены к категории опасных производственных объектов» [1].

Согласно п. 1 статьи 9 Федерального закона «Требования промышленной безопасности к эксплуатации опасного производственного объекта» организация, эксплуатирующая опасный производственный объект, обязана соблюдать требования нормативных технических документов в области промышленной безопасности. Нормативным документом в области эксплуатации месторождений полезных ископаемых являются «Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом». В них регламентированы необходимые для безопасной эксплуатации состояния крепей подземных выработок, армировки и шахтных стволов.

При строительстве и вводе в эксплуатацию горнотехнических сооружений требования нормативных документов выполняются полностью. Однако, в результате эксплуатации месторождения и техногенного воздействия происхо-

дит необратимая деформация массива вмещающих пород. Вместе с этим деформируются и горные выработки. При достаточно больших деформациях массива вмещающих пород состояние крепи и армировки шахтных стволов, фундаментов горнотехнических сооружений на поверхности перестают удовлетворять требованиям «Единых правил».

Одной из причин, вызывающих деформации массива вмещающих пород, является водопонижение. Цель водопонижения - снижение напоров подземных вод в зоне проведения горных работ. Снижение гидростатических напоров в массиве осадочных пород приводит к резкому изменению природной гидрогеологической обстановки, что проявляется в уплотнении пород в массиве и оседании земной поверхности [2].

Для разработки способов защиты от деформации строительных конструкций (крепи шахтных стволов, надшахтных зданий и сооружений и др.) возникает необходимость в разработке методов прогноза деформаций водоносных пород, оседания и сдвижения поверхности земли под влиянием дренажных работ.

Прогноз деформации массивов осадочных пород под влиянием водопонижения является весьма сложной и трудоемкой задачей, требующей проведения комплексных исследований. Методам прогноза посвящено сравнительно небольшое количество работ [3 - 7]. Они, в большинстве своем, посвящены определению вертикальных деформаций. В то же время вопрос соотношения вертикальных и горизонтальных деформаций остается открытым. В каждом отдельном случае это соотношение определяется авторами аналитически. В итоге диапазон полученных отношений горизонтальных перемещений к вертикальным находится в пределах от 0 до 1. Одной из главных причин такого положения является слабая изученность механизма деформирования и других процессов, происходящих в горных породах при дренировании [2].

Особую актуальность задача изучения механизма деформирования горных пород при дренировании приобретает вследствие того, что осваивается

Яковлевское месторождение железных руд, эксплуатируется Белозерское месторождение, горно-геологические условия вскрытия которых по своей сложности не имеют аналогов в отечественной и зарубежной горной практике.

Целью работы является установление закономерностей распределения полей горизонтальных деформаций в осушаемой толще осадочных пород, что позволяет рационально размещать и безопасно эксплуатировать горнотехнические сооружения подземных рудников.

Основная идея работы заключается в том, что горизонтальные деформации определяются по их соотношению с вертикальными в осушаемом массиве осадочных пород.

Научные положения, защищаемые автором:

- при глубоком водопонижении в массиве осадочных пород формируются вертикальные и горизонтальные деформации, обусловленные процессами фильтрационной консолидации, при этом наиболее опасными для горнотехнических сооружений в массиве пород являются горизонтальные деформации

- величины соотношений горизонтальных смещений массива находятся в зависимости от мощности зоны уплотнения, рельефа кровли подстилающих пород, местоположения исследуемой точки относительно центра мульды сдвижения;

в центре мульды сдвижения формируется зона минимальных горизонтальных деформаций, причем ее • расположение определяется геолого-структурными особенностями месторождения;

размещение стволов при вскрытии подземных рудников необходимо осуществлять в зонах с минимальными горизонтальными смещениями горных пород.

Научная новизна работы заключается в установлении влияния горизонтальных деформаций, вызванных фильтрационной консолидацией пород, на схему вскрытия месторождения.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, подтверждаются применением современных методов исследований, удовлетворительной сходимостью результатов лабораторных экспериментов и данных натурных наблюдений, результатами сравнения фактических и расчетных величин горизонтальных смещений массива осадочных пород, среднеквадратическое отклонение расчетных величин смещений от фактических составило 0,05-0,15 их абсолютного значения.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей формирования и распределения деформаций в осушаемом массиве осадочных пород при водопонижении и определении влияния горизонтальных деформаций, вызванных фильтрационной консолидацией, на схему вскрытия месторождения и безопасную эксплуатацию горнотехнических сооружений.

Практическое значение работы состоит в разработке методики расчета горизонтальных деформаций осушаемого массива осадочных пород, применяемой для изучения полей горизонтальных деформаций и обоснования мест заложения горнотехнических сооружений рудника.

Реализация работы. На основании результатов диссертационного исследования разработаны «Методические рекомендации по расчету горизонтальных смещений массива осадочных пород при водопонижении», которые утверждены и рекомендованы к использованию Советом управления Курско-Белгородского округа Госгортехнадзора России.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования обсуждались на научных конференциях в Белгородской технологической академии (Белгород, 1987г., 1989г., 1995г.), на конференции МГГУ в рамках «Недели горняка» (Москва, 1998г.), Совете управления Курско-Белгородского округа Госгортехнадзора России (Белгород, 1998г.), кафедре БЖД БелГТАСМ (Белгород, 1998г.), кафедре ТПР МГГУ (Москва, 1998г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 5 научных статьях.

1.АНАЛИЗ ХАРАКТЕРА ДЕФОРМАЦИЙ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОСУШЕНИИ

1.1 Влияние полей деформаций осушаемого массива на схему вскрытия месторождений полезных ископаемых

Нормальное функционирование шахтного ствола должно быть обеспечено на весь срок существования рудника, измеряющийся десятилетиями. Если в течение этого срока предусматриваются работы по водопонижению с возможным сдвижением массива, то должны быть приняты как конструктивные, так и гор-штеШйчёские меры для Щ>едотврЩвния тшейх повреадёнии ствола, которые Могли бы нарушить его бёШёрёбойнуто ЖсплуатацШ. ИскусствёШое сШжёние уровня подземных вод приводит в движение большие массы горных пород. Крепь не может противостоять им и работает в режиме заданной деформации. В тех случаях, когда деформации превосходят несущую способность крепи, она разрушается. Крепь ствола в результате сдвижения пород может испытывать самые разнообразные и сложные напряжения, из которых наибольшее значение имеют напряжения осевого сжатия, горизонтального среза и изгиба в вертикальной плоскости.

Примером влияния сдвижения массива осадочных пород на крепь горнотехнических сооружений является Южно-Белозерекое месторождение железных руд. Мощность рудных залежей на этом месторождении изменяется от нескольких йётров ДО 115 Й. Они Шёют весШа йШеШивую форму. Падение рудШх тел й вмещающих пород под углом 65 - 74° . Вмещающие породы представлены слабо-трещиноватыми кварцево-еерш^овымй сланцами. Кристаллические породы на Южно-Белозерском месторождении перекрыты 300-метровой тошцей осадочных пород. Месторождение вскрыто шестью вертикальными стволами (рис. 1.6), пять из них расположены в лежачем боку и один в висячем. Три ствола лежачего бока, именуемые Центральной группой стволов (ЦТС), расположен

ны в центре шахтного поля на расстоянии 1200 м от рудной залежи. Рудное тело вскрыто от ЦГС квершлагами на горизонтах 400, 480, 560 и 640 м. Первоначально проектом предусматривалась система разработки с обрушением налегающих пород. В связи с осложнениями, возникшими при осушении месторождения была принята система этажной выемки с твердеющей закладкой (рис. 1.1). Осушение осадочных водоносных пород и рудно-кристаллического массива привело к формированию обширной мульды сдвижения радиусом более 20 км.. В зоне влияния мульды сдвижения оказались и шахтные стволы, что и обусловило их деформацию. Для компенсации вертикальных смещений массива в крепи шахтных стволов предусматривалось сооружение узлов податливости. Наряду с вертикальными деформациями крепи шахтных стволов наблюдались и горизонтальные {табл.1). Данные этой таблицы показывают наличие значительных горизонтальных смещений, наблюдаемых в районах шахтных стволов, находящихся в различных местах деформирующегося массива.

Деформация шахтных стволов серьезно осложнила эксплуатацию месторождения. В период интенсивного снижения гидростатических напоров (рисЛ.З) резко возросла частота ремонта крени шахтных стволов (рис. 1.2). Отклонение стенок шахтных стволов от вертикали значительно превышает требования «Единых правил безопасности» и обуславливает отклонение проводников от вертикали, в результате чего скорость передвижения скипов была снижена вдвое. Проектная мощность Запорожского железорудного комбината, эксплуатирующего Южио-Белозерское месторождение, составляла 6,6 млп.тош1 руды в год. Осложнения возникшие при эксплуатации шахтных стволов не позволили достигнуть предусмотренной проектом мощности. Максимальная производительность комбината составила 3,5 млн.тонн руды в год. Кроме того разрушение ряда водопонизительных (см. п. 1.2) скважин на Южно-Белозерском месторождении железных руд подтверждает необходимость учета депрессионных де-

2 - Дренажный ствол; 3 - ЦСС; 4 - квершлаг; 5 - .рудовмещающая толща

Таблица 1

Ствол Отклонение армировки от вертикали, мм Отклонение стенок ствола от вертикали, мм Горизонтальное смещение, мм

фактическое в направлении допуск 1:2000 Н фактическое в направлении допуск 1:2000 Н в направлении величина

север-юг восток-запад север-юг восток-запад

Грузовой №1 (ярус № 0-179) 101 101 26 199 407 26 юго-восток 233

Грузовой №2 (ярус № 0-179) 55 92 26 256 548 26 юго-восток 135

Вспомогательный (ярус № 0 -160) 94 149 37 239 567 37 юго-запад 130

Южный вентиляционный (ярус № 0-96) 139 20 266 180 20 северо-запад 122

Северный вентиляционный (ярус № 0 - 99) 35 20 320 260 20 юго-запад 53

Дренажный (ярус № 0 - 92) - 18 20 160 110 20 юго-восток 30

Рис.1.2 Графики частоты ремонта крепи стволов Южно-Белозерекого месторождения железных руд: I - Южного; 2 - Вспомогательного; 3 - Грузового №1; 4 - Грузового $2

Рис.1.3 Графини изменения напоров в бучакском водоносном горизонте: I - наблюдательная скважина в центре депрессионной воронки; 2 - наблюдательная скважина в периферийной части

формаций при размещении горнотехнических сооружений в осушаемом массиве осадочных пород.

1.2 Натурные наблюдения

В мировой практике отбора вод для промышленных и хозяйственный целей имеются многочисленные примеры оседания поверхности земли. В районах осуществления интенсивных откачек подземных вод формируются огромные депрессионные поверхности уровней подземных вод. Оседания поверхности происходят медленно и постепенно вслед за развитием депрессионной воронки, охватывая большие площади. Часто они обнаруживаются только, когда принимают опасные размеры.

Основным недостатком имеющихся данных натурных наблюдений за деформациями массива пород при дренировании является отсутствие наблюдений за горизонтальными смещениями массива и поверхности земли при фиксировании лишь вертикальных перемещений точек земной поверхности.

Оседание поверхности земли в г. Саванна (США).

Основной водоносный горизонт приурочен к известняковой серии, возраст которой определяется от среднего эоцена до миоцена. Среди пористых известняков имеются пропластки мела и мергеля, песчаного, глинистого и кремнистого известняка. Горизонт перекрыт глинистыми осадками миоцена. Мощность его составляет 150 м5 кровля залегает на глубине 50 м.

В период с 1933 по 1955 г. Девисом [8] отмечается тесная связь оседания поверхности земли с понижением уровня подземных вод основного водоносного горизонта. С 1963 г. было прекращено понижение напора подземных вод и произведено перераспределение водозаборов. Однако, повторное нивелирование в 1975 г. показало, что оседание поверхности земли продолжается с прежней интенсивностью - 4 мм в год. Предполагается, что это связано с медленной потерей воды тонкозернистыми породами в связи с понижением уровня, которое наблюдалось к 1963 г. Участок максимального понижения напора подземных вод

сместился к юго-западу и вызвал понижение поверхности земли там, где его раньше не было.

По мнению Девиса, возникновение оседания поверхности земли в 19551975 гг. на участке, ранее устойчивом, заставляет предположить, что существует порог давления, который должен быть превзойден, чтобы вызвать оседан�