автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование методов управления горным давлением при подземной разработке месторожений хромитов

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московский государственный открытый университет

ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ХРОМИТОВ

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5Г6 Ой

На правах рукописи

БУХАРОВ Николай Георгиевич

УДК 622.831.3:820

Москва 1994

Работа 'выполнена в (Московской государственной геологоразведочной академии им. С. Орджоникидзе.

Научный руководитель канд. техн. наук, доц. Макаров А. Б.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. КуликовВ. В., канд. техн. наук, доц. Боровков Ю. А.

Ведущая организация — институт Гипроцветмет.

Защита диссертации состоится « гх » МОр, . 1994 г. в У.21. час. на заседании специализированного совета

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного открытого университета.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять в адрес совета.

Автореферат разослан « . » Ф^Р^^?.?1. . 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

ЗАХАРОВ 10. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Современная добыча хромитов во всем мире характеризуется относительно небольшой, до 300 метров, глубиной ведения горных работ. Поэтому большинство месторождений отрабатываются открытым способом, а разведанные глубокие рудные тела в основном находятся на консервации. Шахты Донского ГОКа, разрабатывающего Южно — Кемпирсайское месторождение хромитов, являются уникальными ввиду их большой, д\я этого сырья, глубины — до 700 м. Поэтому геомеханические процессы, протекающие при их строительстве и эксплуатации, помогают осмыслить с какими проблемами придется столкнуться при эксплуатации глубоких залежей хромитов других месторождений. Следовательно, разработка эффективных методов, управления горным давлением при подземной разработке хромитов является актуальной задачей.

Все хромитовые массивы относятся к ультраосновным позднемагматическим и были образованы в сложной геолого — тектонической обстановке, определившей его интенсивную раздробленность. Вторичными, для всех месторождений, являются минералы группы серпентина (группы глин), что определяет низкие фрикционные свойства массивов. Такое их строение приводит к низкой устойчивости откаточных выработок. На шахте "Молодежная" Донского ГОКа, где раскрытие трещин в среднем составляет 2-см, а размер структурного блока изменяется от 0.05 до 0.2 м, в настоящее время затраты на поддержание выработок в 5 —7 раз превышают затраты на их проходку. На некоторых участках деформирование крепи происходит со скоростью 20 — 30 см/час. Причем поддержание выработок осуществляется дорогостоящими металлическими и железобетонными крепями, но и это не обеспечивает их устойчивости. Большой объем работ по подкреплению и перекреплению выработок приводит к тому, что время выпуска руды из блока увеличивается в 2 — 2.5 раза по сравнению с проектным. В результате шахта уже третий год не может выйти на проектную мощность.

Таким образом, вопрос о выборе рациональных схем отработки хромитовых месторождений является весьма актуальным, причем решение этой проблемы следует искать, прежде всего, в изменении методов управления горным давлением.

Диссертация является завершенной научно — исследовательской работой кафедры геодезии и маркшейдерского дела Московской Государственной Геологоразведочной Академии по теме "Изучение напряженно деформированного состояния массива горных пород с целью изыскания эффективных способов управления горным давлением на шахтах Донского ГОКа".

ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является обоснование методов управления горным давлением при подземной разработке месторождений хромитов для обеспечения безопасного и бесперебойного процесса добычи полезного ископаемого.

ОСНОВНАЯ ИДЕЯ РАБОТЫ: обеспечение устойчивости выработок достигается путем искусственного снижения накопленной в прилегающем массиве энергии, либо проведением их в зонах с возможно меньшим ее уровнем.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, защищаемые в работе:

1 .деформирование сильнотрещиноватых массивов с заполнением трещин вторичными минералами с низкими прочностными и фрикционными свойствами (группы глин) происходит по законам течения вязкой ньютоновской жидкости (законам теории вязко — упругости);

2.рациональными методами управления горным давлением при вязко—упругом деформировании сильнотрещиноватых массивов являются искусственное снижение (энергетическая разгрузка) накопленной в прилегающем участке к выработкам энергии, проведение их в зонах с возможно меньшим ее значением или уменьшение срока их эксплуатации;

З.энергетическая разгрузка массива осуществляется с помощью проведения опережающих выработок на , деформирование которых расходуется _ накопленная в массиве энергия или путем увеличения скорости выпуска из блока.

4.защитное действие опережающей выработки — пилота Заключается в диссипации накопленной в массиве энергии на вязкое течение в 1.8 раза, что позволяет снизить смещения на контуре охраняемой выработки на 30—40%.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ:

1,сбор, обобщение и анализ практического опыта разработки сильнотрещиноватых массивов;

2.математическое и численное моделирование геомеханических процессов на ПЭВМ;

3.аналитические исследования на базе теорий упругости, пластичности и ползучести;

4.статистический анализ;

5.натурные наблюдения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ состоит в следующем:

1.обоснована и впервые для описания деформирования сильнотрещиноватых массивов использована модель вязко—упругого течения сплошной среды;

2. разработана и обоснована новая механическая модель реологического деформирования горных пород;

3.установлено, что зависимость размера зоны влияния горных работ в массивах, деформирующихся по законам вязко —упругости, от его коэффициента вязкости имеет вид сложной экспоненциальной функции;

4.установлено, что при системе разработки с этажным самообрушением вязкое течение меньше всего захватывает массив на горизонте выпуска, больше всего — на горизонте с максимальной шириной блока;

5 установлено, что откаточные выработки, пройденные в массивах с низким значением коэффициента вязкости склонны к пучению почвы.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, выводов И РЕКОМЕНДАЦИЙ обеспечивается корректной постановкой задач, представительностью и статистической обработкой экспериментальных данных и результатов натурных наблюдений, применением теоретически обоснованных и апробированных вычислительных методов,проверкой разработанных алгоритмов и программ на тестовых задачах, соответствием с результатми шахтных наблюдений и экспериментов.

НАУЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается в обосновании комплекса методов управления горным давлением в условиях вязкого течения массива.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ состоит в:

1.получении решения ряда важных геомеханических задач, для которых отсутствуют аналитические решения: предложены методы охраны выработок техногенной зоны в сильнотрещиноватых массивах;

2.разработан и реализован на ПЭВМ численный алгоритм решения плоской задачи теории вязко — упругости механики сплошной среды;

3.разработана и реализована на ПЭВМ математическая модель проведения откаточно—доставочных работ при системе разработки с этажным самообрушением.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Предлагаемые в диссертационной работе варианты охраны выработок решением технического совещания Донского ГОКа, переданы институту Уралгипроруда для корректировки проектов отработки горизонта — 215 м шахты "Молодежная" и пускового комплекса шахты "Центральная".

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на технических совещаниях Донского ГОКа в 1992 — 93 гг, заседаниях 3 Международного Симпозиума "Применение математических методов и компьютерной техники в геологии, горном деле, металлургии и смежных областях" (19—24 июня 1993г, Москва, МГГА), научных конференциях МГГА 1992 — 94 гг.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 3 работах.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, изложенных на !£>0 страницах машинописного текста, включает 62 рисунков, / / таблиц, список литературы из с наименований.

Автор выражает глубокую благодарность проф., д.т.н., чл. — корр. РАЕН Борщ— Компонийцу В. И. за многолетнюю помощь и ценные советы, своему научному руководителю доц., к.т.н. Макарову А.Б. за постоянные консультаци, советы и многолетнее сотрудничество, к.т.н. Азарнову А.В. за помощь в проведении расчетов и программировании, сотрудникам горной лаборатории Донского ГОКа за помощь в проведении натурных наблюдений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1.ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЕФОРМИРОВАНИЯ СИЛЬНОТРЕЩИНОВАТЫХ МАССИВОВ С ГЛИНИСТЫМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ ТРЕЩИН

В настоящее время известно много физико — механических моделей, описывающих самые разные процессы, протекающие в горных массивах. Существенный вклад в решение проблемы определения механизмов их деформирования внесли Ш.М. Айталиев, И.В. Баклашов, A.A. Борисов, В.И. Борщ — Компониец, Н.С. Булычев, Ю.А. Векслер, М.И. Бесков, Н.П. Блох, В.Т. Глушко, Г.И. Грицко, С.С. Давыдов, А.Н. Динник, Ж.С. Ержанов, Л.В. Ершов, В.Ю. Изаксон, Б.А. Картозия, Г.А. Катков, Г.А. Крупенников, В.В. Куликов, C.B. Кузнецов, Ю.М. Либерман, А.М. Линьков, Г.А.Марков, Л.Н. Насонов, В.Л. Попов, М.М. Протодьяконов, А.Г. Протосеня, В.Ф. Ревуженко, К.В. Руппенейт, Г.Н. Савин, В.Д. Слесарев, А.Н. Ставрогин, А.Б. Фадеев, П.М. Цимбаревич, И.Л. Черняк, Л.Д. Шевяков, Е.И. Шемякин, и др. Выбор модели массива основывается на анализе связей наблюдаемых на практике проявлений горного давления с технологическими и горно — геологическими условиями разработки полезного ископаемого. Причем из всего разнообразия факторов, определяющих процесс добычи полезного ископаемого необходимо выявить наиболее влияющие. Такая задача известна в общей теории случайных функций и управления, как задача дискриминации переменных по отношению к заданному признаку, которая решалась методами многомерного статистического анализа для условий шахты "Молодежная" Донского ГОКа, где добыча хромитов ведется с применением системы этажного самообрушения руд и пород.

На рисунке 1 показан'разрез юго — западного фланга шахты по простиранию рудного тела (вкрест простирания блока) с блоком 24—27. Этот блок был введен в эксплуатацию в 1988 году. Мощность рудного тела в блоке достигает 80 м, длина скреперных ортов ~ 60 м, длина откаточных ортов — до 350 м. Согласно проекту откатка руды должна была осуществляться по ортам 24 и 27. В течении первого года отработки устойчивость откаточных ортов была вполне удовлетворительной (рис.2) и добыча полезного ископаемого осуществлялась бесперебойно. В конце

Орта

1 -капитальный штрек;

2-скреперныв штреки;

3-очистноА блок 24-57;

4-эона обруимнил;

5-<сонтур рудного тела.

Рис.1. Разрез юго-западного фланга шх."Молодажиая.

Пврвярсаявтт.и

150

1989 года началось интенсивное разрушение крепи в обоих ортах, причем орт 27 больше чем полгода простаивал в ремонте., В течении этого времени суммарный объем перекрепления больше, чем в 2 раза превысил его длину. В 1990 году поддержание этого орта стало технически невозможным ввиду интенсивного разрушения крепи. В 1990 году в орту 24 откатка руды

осуществлялась только в течении • полгода. Для осуществления откатки в 1990 году был пройден орт 26 под обрушенными породами. В настоящее время откатка

осуществляется только по нему, орт 27. используется в качестве вентиляционного.

На противоположном, северо-восточном фланге шахты очистные работы начались в 1982 году и уже отработано 3 блока. Сейчас производится выпуск руды из блоков в осях 56 —.60. Устойчивость откаточных ортов, находящихся на горизонте выпуска, такая же низкая, как и ортов 24 и 27. Более того, на этом фланге разрушен обводной капитальный ш.'рек лежачего бока в осях 59 — 72, поэтому пришлось на этом участке проходить обводной штрек.

На шахте "Центральная" Донского ГОКа в настоящее время ведутся подготовительные работы. Массив этой шахты, характеризуется еще более интенсивной раздробленностью, раскрытие трещин в среднем по шахте составляет 2 — 3 см и заполнены серпентином и талько — брейнеритом. Выработки пускового комплекса находятся на глубине до , 700 м, что определяет высокий уровень природных напряжений.

90

V

- ; У

\ / _

у.........\ ! г" р /

10

20

Ж)

40

Вреш^люс

Рис.2. Динамика объаиоа первкраппаиия ортоа блока 24-27

Несмотря на то, что очистные работы на шахте еще не начались крепь выработок уже разрушается и средняя скорость их деформирования составляет 0.5 мУгод. По проекту шахта "Центральная" должна отрабатываться так же, как и шахта "Молодежная", системой этажного самообрушения, поэтому здесь следует ожидать еще более интенсивного деформирования откаточных выработок.

При проведении многомерного статистического анализа для условий шахты "Молодежная" в качестве откликов процесса деформирования массива принимались маркшейдерские данные по объемам перекрепления и подкрепления откаточных ортов Е.

Входные факторы описывают состояние техногенной зоны в период с 1988 по 1992 года с интервалом в 1 год. Ими являются следующие попарно независимые факторы: длина орта Ь (м), расстояние от орта до блока, из которого ведется выпуск 1х> (м), расстояние от орта до блока в разрезе Ьо (м), время существования орта То (сут), площадь блока, из которого ведется выпуск, 5ш (м ), площадь отработанных блоков на фланге Бс (м ), высота блока Нш (м), скорость выпуска из блока Уш (тыс.т/г). Все входные факторы были приведены к нормальному распределению на интервале [— 10; 10].

В результате дисперсионного анализа была получена регрессия £ = 10.95 + 0.541-0.26^-0.31^+1.523;+

+0.42^+0.27^+0.37^-0.7^ где все параметры являются приведенными.

В уравнении (1) максимальный по абсолютной величине коэффициент относится к параметру времени, следовательно важнейшим фактором, определяющим разрушение выработок является время их существования. Второй по значимости фактор — скорость выпуска, также является функцией времени. Третья по значимости группа факторов, косвенно определяющих напряженно—деформированное и энергетическое состояние массива в точке — Ьо, Л и Бс. На основании значений коэффициентов влияния полученной регрессии однозначно установлено, что интенсивность и величина деформаций сильнотрещиноватых массивов с глинистым заполнителем есть функция напряжений и экспоненты времени, поэтому для исследования напряженно — деформированного состояния таких массивов необходимо за основу принимать реологические модели среды. Так же

на основании полученной регресии можно определить основные пути управления горным давлением: уменьшение времени службы выработок, увеличение скорости выпуска из блока и искусственное снижение уровня энергии в зоне проведения выработок.

Известно много различных механических реологических моделей твёрдого тела, но большинство из них нелинейны, практически не изучены и требуют для реализации нереальное количество данных. К тому же в большинстве все эти модели не описывают разрушения тела, т.к. все механические элементы в них бесконечны. Для описания процесса дилатантной ползучести (по Х.Осаки), приводящей к разрушению материала, в модель Бюргерса был введён новый механический элемент — массивный амортизатор конечной длины I.

Использование полученной модели (рис.3) при анализе нагружения образцов

(например, эксперименты, проведенные Прайсом),

позволило сделать вывод, что общее деформирование

горной породы после мгновенных деформаций складывается из параллельно протекающих процессов

вязкого течения, пластической и дилатантной ползучести. Причем интенсивность каждого из процессов зависит от соотношения соответствующих свойств горных пород и может изменяться от пренебрежимо малой до черезвычайно большой.

В результате проведенных исследований уравнение полного реологического деформирования представляется в следующем виде:

Ч,

Е*

ЧУг-

Модем, вязко-упругостм

Дилатантнзя Пллсгмчаскил ползучесть ползучесть

Рис.3. Механическая модель реологического деформирования горных пород.

К ¿1 ч,

-1_Ис,+£к[,_еХр{_т ] (2) % . Ч,1

Здесь а0 — действующие напряжения, Е„ — модуль мгновенной упругости, Е, — модуль длительной упругости, л, — вязкость, о, — предел пластичности, т]2 — пластическая вязкость, щ — дилатантная вязкость, О и п —параметры распределения Вейбула. Интенсивность каждого из этих процессов зависит от соотношения соответствующих

свойств и может изменяться от пренебрежительно малой до катастрофически высокой. Анализ результатов натурных измерений деформаций, проведенных сотрудниками НПО "Унипромедь" и НПО "Сибруда" на шахте "Молодежная" Донского ГОКа, позволил сделать вывод что действующие в массиве напряжения не превышают его предела пластичности и деформационные процессы происходят по законам вязко — упругости, описываемым уравнениями Кельвина — Фойгта (обозначено на рисунке 3), являющимися первыми двумя членоми в уравнении (2).

Допустимость применения модели вязко — упругого деформирования подрабатываемого горного массива обосновывается тем, что время релаксации структуры много меньше времени внешнего воздействия. Поэтому динамика механических состояний системы описывается последовательными переходами между ее равновесными конфигурациями (по М.Хоеку). В соответствии с этим, деформирование массива в окрестности одиночной полости (блока или выработки) состоит из двух равновесных конфигураций. Во —первых, мгновенное приложение нагрузки приводит к мгновенному перераспределению напряжений и мгновенным деформациям (упругий импульс). Вторая равновесная конфигурация — это деформирование среды во времени при постоянных действующих напряжениях (собственно вязкое течение).

Важнейшей характеристикой сплошной среды, деформирующейся вязким образом, является коэффициент вязкости. Для условий шахты "Молодежная" значение этого коэффициента было нами определено по результатам измерений деформаций массива методом электрометрии, поведенных сотрудниками НПО "Унипромедь" (по В.В.Скрипченко), и составило 1.2Е11 МПа'сек. Для условий шахты "Центральная" определение значения этого коэффициента проводилось методом обратного расчета по результатам измерения деформаций выработок околоствольного массива (по В.В;Скрипченко, Ю.П.Щуплецову) и составило 9.12Е10 МПа'сек. Значение этого коэффициента здесь меньше из —за структурного строения массива. На шахте "Центральная" размер структурного блока в среднем 0.05—0.1 м, а рассктытие трещин — 2.5 — 3.0 см. Поэтому, определяемые вязкостью массива интенсивность вязкого течения и время его протекания здесь будут больше, чем на шахте "Молодежная".

2.0Б0СН0ВАНИЕ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ

Поддержание неустойчивых выработок осуществляется крепью. Выбор вида конструкции крепи основывается на анализе взаимодействия массива горных пород с крепью. Общее современное состояние этой проблемы характеризуют изданные за последние десятилетия труды А.П. Максимова, В.Л. Попова, В.Н. Каретникова, В.М. Еганова, Н.С. Булычева, И.В. Баклашова, Б.А. Картозия, А.П. Широкова, Ю.З. Заславского, И.Л. Черняка, А.И. Шмелева, Л.Я. Парчевского, П.М. Зборщика, А.П. Максимова, О.С. Алферова, М.Н. Гелескула, Б.М. Усан — Подгорного, А.П. Федотова, В.А. Ващилина, В.Л. Федулина, В.Т. Глушко и др. Для описания взаимодействия крепи с массивом, деформирующимся по законам вязко — упругости, была разработана численная модель, основанная на том, что течение вязкой среды через тело без жестких включений характеризуется вариационным принципом, согласно которому функционал, представляющий энергию приращения смещений, имеет минимальное значение. Крепь рассматривается как жесткое включение и задается действием поверхностных сил (реактивным отпором) на нескольких плоскостях, принадлежащах телу W. Определение реактивного отпора производится по существующим методикам, например для расчета круглой крепи используется метод Метрогипротранса (по Н.С. Булычеву). Интегрирование полученной системы уравнений во времени позволило решить задачу о неустановившемся течении через тело. Решение задач для условий шахты "Молодежная" Донского ГОКа показало хорошое совпадение результатов расчета с наблюдаемым поведением крепи.

Проведение большого числа расчетов для жестких и податливых арочных крепей, выполненных из спецпрофилей СВП — 22, СВП —27, СВП—33, железобетонных и тюбшк овых крепей, а также для самой мощной в мире крепи "Клосуолл" (по Д.Зинкевичу), работающих в различных условиях вязкого течения массива показало, что поддержание выработок только за счет возведения крепи .технически мало эффективно, а экономически — очень дорого. Поэтому для обеспечения

устойчивости откаточных выработок шахт Донского ГОка следует искать другие пути управления горным давлением.

Для изучения протекающих в подрабатываемом сильнотрещиноватом массиве геомеханических процессов и поисков методов обеспечения устойчивости выработок разработан алгоритм решения плоской задачи теории вязко — упругости механики сплошной среды. При равных расчетных возможностях современных численных методов,

поставленной решаемой задаче в большей мере отвечают вариационные схемы, отличающиеся большой гибкостью и близостью модели к реальным массивам (по Т.Уайту). Разработанный алгоритм построен по схеме локальных вариаций (МЛВ). Разбиение общего процесса деформирования на две равновесные конфигурации позволило решать последовательно две задачи: задачу теории упругости твердого тела и задачу вязкого течения механики сплошной среды. В результате решения первой задачи с помощью программы, разработанной к.т.н. Азарновым A.B. на кафедре геодезии и маркшейдерского дела МГГА, создается база данных для дальнейшего моделирования вязкого течения.

Алгоритм решения задачи о вязком течении основан на том, что любое реологическое деформирование твердого тела характеризуется минимумом приращения потенциальной энергии системы за промежуток времени At. Потенциальная энергия системы W зависит от параметров напряженно — деформированного состояния (НДС) тела. Поэтому задача определения минимума приращения потенциальной энергии сводится к задаче отыскания параметров НДС, при которых этот минимум достигается. Для этой цели решается квазистатическая задача в каждом элементарном интервале At, из которых состоит все время деформирования среды.

Решение квазистатической задачи в каждый момент времени основано на фундаментальном соотношении механики сплошной среды, которое связывает развитие напряжений и деформаций тела , в котором действуют объемные силы и к какой —либо границе которого приложены поверхностные силы, с изменениями формы и размеров отверстий (выработок) в его плоском сечении. Интегрирование во времени уравнений какой —либо реологической модели (например Кельвина или Фойгта) и суперпозиции решений относительно приращений смещений определяют НДС тела в заданный момент времени (по П.Лурейро). Применение более сложных реологических

моделей практически не оправдано ввиду недостаточности исходного материала. Усовершенствованная в работе итерационная процедура решения создаваемой системы уравнений устранила основной недостаток МЛВ — относительно низкую расчетную эффективность (по Ф.Л. Черноусько, Н.Ф. Баничук). Результатом моделирования является расчет средних деформаций и напряжений по ячейкам и смещений в узлах их сетки в каждой из заданной временной точке.

Моделирование проводилось для условий шахт "Молодежная" и "Центральная" ДонГОКа, т.е. моделировалась система разработки этажного самообрушения руд и пород. В ходе решения практических задач было установлено, что интенсивность деформаций массива прямо пропорциональна градиенту напряжений в точке, который определяет уровень высвободившейся энергии (рис.4,5). Непосредственно на границе блока максимальный прирост напряжений наблюдается на горизонте откатки (горизонт — 135м), в этой же точке со временем развиваются максимальные смещения. На расстоянии 30 — 40 м от границы блока на горизонте —135 м количество высвободившейся энергии уже достаточно мал и величина смещений здесь так же существенно меньше. Поэтому капитальные штреки, проведенные здесь обладали бы достаточной устойчивостью. Капитальные штреки горизонта — 135 м шахты 'Молодежная" находятся на расстоянии 15 — 20 м от блока, т.е. в зоне с высоким уровнем энергии. С течением времени в них происходит разрушение крепи и пучение почвы. На горизонте —55 м на границе блока высвобождается гораздо меньше энергии, реализующейся

на разрушении крепи выработок, чем на горизонте — 135 м, поэтому и величина развивающихся с течением времени смещений здесь меньше. Однако градиент прироста напряжений в массиве на этом горизонте существенно меньше, чем на горизонте —135 м, поэтому уже на расстоянии 30-35 м от границы блока смещения на горизонте — 55 м превышают

Рис.4. Эпюра прироста напряжений а массиве.

смещения на горизонте

ЧЦ

100^4 ЕЭрем*. от'

Горизонт -1 Э5м О

Горизонт -55м

Рис.5. Реванше смещений во времени нв расстоянии Э5м от блоке.

135 м. Капитальный штрек на горизонте —55 м в зоне влияния очистного пространства был потерян ввиду того, что он был пройден на расстоянии 20 — 25 м от блока, т.е. в зоне интенсивных смещений.

В ходе моделирования установлено, что размер зоны влияния очистных работ на каждом из горизонтов обратно

пропорционален квадрату прироста напряжений. На горизонте —55 м эта величина в 2.6 раза меньше, чем на горизонте —135 м, поэтому размер зоны влияния на горизонте — 135 м почти в 8 раз меньше.

Откаточные орта на шахте "Молодежная" так же как и капитальные штреки горизонта — 55 м расположены в зоне интенсивных смещений. Охрану этих выработок целесообразно осуществлять путем искусственного снижения энергии, поступающей в прилегающий массив. Одна из возможностей такого снижения — увеличение скорости выпуска руды из блока. При высокой скорости поступления материала в зону обрушения большая часть энергии расходуется на разрушение связей между структурными блоками массива. Снижение скорости выпуска приводит к тому, что энергия, не реализовавшаяся на разрушении материала на границе блока, вызывает увеличение интенсивности деформаций выработок. Этот вывод следует из результатов многомерного статистического анализа. В регрессии (1) фактор скорости выпуска стоит на втором месте. Увеличение скорости выпуска можно проводить либо применением специального оборудования, например вибропитателей, либо уменьшением размеров блока. Проведение расчетов с помощью разработанной и реализованной на ПЭВМ математической моде/ т процессов горно — добычных работ при применении системы разработки с этажным самообрушением и скреперной доставкой позволило установить, что уменьшение площади блока в плане в 2 раза позволяет уменьшить время его отработки, а следовательно и время службы ортов, в 4 раза.

Вторым путем искусственного снижения энергии является проведение опережающей "выработки — пилота". Суть этого способа состоит в следующем. Одиночная выработка в зоне влияния очистного блока деформируется и разрушается, на что расходуется большая часть энергии, накопленной в массиве. Наиболее полно энергия диссипируется на расстоянии до 1.5 размеров выработки. Поэтому проведение охраняемой выработки, по которой производится откатка руды из блока, на участке диссипированной энергии позволит снизить смещения на ее контуре по сравнению с выработкой — пилотом на 30% (рис.6,7). Эта

выработка должна быть проведена так, чтобы разрушенная выработка

— пилот располагалась между ней и блоком на линии минимального градиента напряжений. При таком расположении выработок основные деформации в охраняемой выработке будут развиваться на дальнем от блока борту. Ближний же борт этой выработки разрушаться практически не будет. При такой охране большая часть энергии будет реализовываться на разрушенной выработке

— пилоте и целике между выработками.

В ходе решения ряда задач было установлено, что оптимальный размер целика между двумя одинаковыми выработками равен их размеру. Временной промежуток между моментами их проведения должен определяться при решении каждой новой задачи в зависимости от

Смегцения.дм ЕЭ 0.1 с=з 6.7 са 113 С319.9 СО 205 ЕЭ 33.2 СП 39.8 ШИ46Ч ОН 53.0 ■■596

1-выработка-пилот;

2-охраняемая выработка;

3-линия минимального градиента напряжений

Рис.6. Распределение смещений ■ массиве после полной диссипации энергии.

Смедениядм

Выработки: _ пип от —капитальная

2 4

Расстояние от выработки, доли размера

Рис.7. Смещения точек массива, лежащих на л градиента напряжений .

л минимального

свойств исследуемого массива. Для условий шахты "Молодежная" Донского ГОКа, где коэффициент вязкости равен 1.2Е11 МПа'сек, это время составляет 2 — 2.5 месяца, для условий шахты "Центральная" Донского ГОКа, где значение коэффициента вязкости меньше, (9.12Е10 МПА'сек) — 4—4.5 месяцев.

Комплексное использование обоснованных методов управления горным давлением позволит обеспечить устойчивость выработок. Причем в условиях шахты "Молодежная" длительную устойчивость капитальных штреков горизонта откатки можно обеспечить проведением их на расстоянии 30—35 м от блока. На горизонте —55 м зона, где высвобождающаяся энергия не приводит к разрушению крепи выработок, находится слишком далеко для проведения капитальных штреков. Поэтому для их охраны необходимо проводить выработку — пилот. Обеспечение устойчивости откаточных ортов — наиболее трудная задача. Проведение только выработки—пилота не позволит создать достаточную энергетическую разгрузку массива для обеспечения их устойчивости, поэтому необходимо сократить время существования этих выработок путем увеличения скорости выпуска руды и уменьшения размеров блока.

Применение обоснованных методов управления горным давлением при эксплуатации блока 24 — 27 (рис.1) позволило бы отработать его с гораздо меньшими затратами и за меньшее время. Для снятия проблемы поддержания откаточных ортов при существующей скорости выпуска необходимо было разбить блок на 4 части, т.е. уменьшить в 2 раза его размеры вкрест и по простиранию. В таком случае время выпуска из одного уменьшенного блока станет равно времени устойчивости крепи, выполненной из спецпрофиля СВП—33 — до 12—13 месяцев. Орта, по которым не производится откатка руды, когут служить выработками — пилотами. При таком изменении параметров системы разработки время отработки блоха 24 — 27 сократится с 6 лет до 4 лет. Суммарные затраты на проходку и поддержание выработок станут эквивалентны проходке четырех выработок, в то время как сейчас затраты на проходку и поддержание существующих ь-лработок эквивалентны проходке 7 выработок.

Совместное использование всех предложенных методов управления горным давлением при подземной разработке месторождений хрома

позволит значительно сократить затраты на помеРжание выработок и высвободить ресурсы для увеличения объемов добычи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе в результате теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная задача обоснования методов и способов управления горным давлением при подземной разработке месторождений хромитов путем искусственного снижения уровня энергии массива или проведением выработок в зонах с возможно меньшим ее значением, применение которых даст врзможность бесперебойно вести добычные работы.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1.В результате проведения многомерного статистического анализа установлено, что на горизонте откатки решающее влияние на развитие деформаций выработок оказывает время их эксплуатации, скорость выпуска руды из очистной единицы и величина действующих на участке проведения выработок главных напряжений (факторы указаны по мере убывания их влияния на устойчивость выработок).

2.Представлена и обоснована физико — механическая модель деформирования сильнотрещиноватых массивов с высоким раскрытием трещин и глинистым заполнителем. Показано, что при относительно высоком уровне напряжений минералы — заполнители, трещин находятся в жидкообразном агрегатном состоянии. Поэтому деформирование массивов, где развитие заполнителя трещин так велико, что контакт между структурными породными или рудными блоками осуществляется только через него, происходит по законам течения вязкой ньютоновской жидкости. А сами такие массивы представляют собой гетерогенную дисперсионную среду типа "твердое в жидкообразном".

3.Разработана и обоснована специальная численная математическая модель, позволяющая • определять время устойчивого состояния различных видов крепи, работающей в; условиях вязкого течения. Показано, что применение нежестких крепей практически себя не оправдывает. Применение мощных крепей, например железобетонных, приемлемо только при разработке рудных тел с

высоким содержанием полезного компонента и очень высокой скоростью выпуска. Создана программа для ПЭВМ, позволяющая определять деформируемость крепи, работающей в условиях вязкого течения массива.

4.Предложена и обоснована механическая модель полного реологического деформирования массива. Обосновано применение ее для моделирования реологических процессов в сплошных средах.

5.Показано, что деформирование горных массивов во времени складывается из одновременно и параллельно протекающих процессов вязкой текучести, пластической и дилатантной ползучести. Относительная интенсивность каждого из этих процессов зависит от соотношения соответствующих свойств материалов и изменяется от пренебрежитедьно малой до чрезвычайно большой.

6.Показано, что интенсивность деформирования исследуемого массива в точке зависит от уровня энергии в ней. Поэтому разрешение проблемы обеспечения устойчивости выработок возможно либо путем искусственного снижения накопленной в прилегающем участке массива энергии, либо проведением выработок в зонах с возможно меньшим ее значением.

7.Предложен способ определения вязкости массива на основе электрометрических измерений деформаций. Определены значения коэффициента вязкости для условий шахт "Молодежная" и "Центральная" Донского ГОКа, разрабатывающего Южно — Кемпирсайское месторождение хромитов.

в.Создан пакет прикладных программ для ПЭВМ для решения плоских задач теории вязкого течения, который может быть использован для моделирования геомеханических процессов, протекающих при разработке массивов, склонных к вязкому течению.

9.Рациональными методами управления горным давлением для охраны выработок, пройденных в массивах, деформирующихся вязким образом, являются:

— сокращение времени службы выработок путем уменьшения размеров очистного пространства;

—увеличение скорости выпуска руды из блока;

— искусственное снижение уровня энергии в зоне проведения выработок проведением опережающей выработки — пилота;

— размещение выработок в зонах с минимальном уровнем энергии.

10. Предлагаемые методы охраны выработок решением технического совещания Донского ГОКа переданы институту Уралгипроруда для корретировки проектов отработки горизонта —215 м шахты "Молодежная" и пускового комплекса шахты "Центральная".

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1.Макаров А.Б., Бухаров Н.Г. Модель деформирования сильнотрещиноватых пород. В кн: Новые достижения в науках о Земле, МГГА, Москва, 1993.

2.Азарнов A.B., Бухаров Н.Г. Определение параметров крепи на основе реологической модели. В кн: Новые достижения в науках о Земле, МГГА, Москва,1993.

3.Борщ — Компониец В.И., Макаров А.Б., Азарнов A.B., Бухаров Н.Г. Моделирование устойчивости выработок в сильнотрещиноватых массивах. В кн: Материалы 3 Международного симпозиума "Применеие математических методов и компьютерной техники в геологии, горном деле, металлургии и смежных областях", Москва, МГГА, 1993.