автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование параметров выемки запасов прикарьерных зон системами разработки с закладкой

ргь V) И

- В МЛ

РОССИЙСКАЯ Л1Ш1ЕШШ НАУК ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕ1ВШ НЕДР

На правах рукописи

КАЛМЫКОВ ВЯЧЕСЛАВ НИКОЛАЕВИЧ

ОБОСНОВАН® ПАРАМЕТРОВ ВЫВЛКИ ЗАПАСОВ ПРИКАРЬЕРНЫХ ЗОН СИСТЕМАМИ РАЗРАБОТКИ С ЗАКЛАДКОЙ

Специальность 05.15.02 - Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Магнитогорской государственной горнометаллургической академии им.Г.И.Носова

Официальные оплоненгы:

доктор технических наук, профессор Ломоносов Г.Г.

доктор технических наук, профессор Куликов В.В.

доктор технических наук, профессор Кузнецов C.B.

Ведущая организация - Уральский научно-исследовательский и

проектный институт медной промышленности (Унипромедь)

Защита состоится " " 1995 года в " (0" часов

на заседании диссертационного совета Д D03.20.0I в Институте проблем комплексного освоения недр РАН по адресу: 111020, Москва, Е-20, Крюковский тупик,4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "30 " А 1995 года

Ученый секретарь „_

диссертационного советаг--~--эМ^ n Богданов Г.И.

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность ггооблемн. При переходе на подземный способ разработки после завершения открытых работ в карьере наибольшие осложнения вызывает выемка прикарьерных, приграничных запасов ввиду возможности образования аэродинамических связей с атмосферой карьера, катастрофического развития процессов сявикания из-за расположения подзештс очистных блоков в горном массиве, находящемся еще до начала очистных работ в состоянии близком к предельному. В особо острой форме все ослояиеняя проявляются на глубоких карьерах. Экономические последствия: себестоимость увеличивается на 30-40 %, потери - 10-15 %.

Ознакомление с опытом производства и проектирования подзем-пых работ в приграничных зонах, состоянием изученности проблем выемки прикарьерных запасов выявило недостаточный уровень их проработки, отсутствие методического обеспечения по проектированию параметров выемки системами разработки с закладкой. В результате увеличивается время на составление проектов, нарушаются сроки ввода подзегшых рудников, отработка прикарьерных зон переносится на более поздние сроки, что сопрягеяо с дополнительными затратами временя и средств на ввод более удаленных от карьера рудных площадей, консервацией запасов, вероятностью разрыва в добыче месторождений, вынужденным разносом бортов.

Нормализовать ситуацию, снизить остроту проявлений негативных факторов позволяет применение таких технологий подземной разработки, которые обеспечивает прогнозируемый характер развития геомеханических процессов в прикарьерных массивах пород, устойчивое состояние обнажений, налегшую изоляцию очистного пространства. Создание а внедрение таких технологий сопрякено с необходимостью решения комплекса геомеханических вопросов по управлению состоянием массива в условиях совместного влияния открытых и подземных работ, который представляет собой научную проблему управления горным давлением при подземной отработке запасов прикон-турных зон карьеров.

Актуальность настоящей научной проблемы подтверждается включением ее по Постановлению ГКНТ № 56 от 10 марта 1986 г. в координационные планы фундаментальных научно-исследовательских работ приоритетного направления АН СССР, Минцветмета, й!инчермета СССР.

Цель пэботы. Разработка и обоснование принципов проектиро-

вания и методов расчета параметров выемки запасов ппикарьерннх зон системами с закладкой, обеспечивающих экономичность, безопасность и полноту извлечения.

Основная идея заключается в учете особенностей карьерного пространства и морфологии приграничных запасов, а также закономерностей развития геомеханических процессов в прикарьерном массиве при выборе и расчете эффективного способа подземной добычи руд в переходной зоне системами разработки с закладкой.

Основные задачи исследований

1. Разработка классификации способов выемки переходных зон.

2. Формулирование принципов проектирования технологических схем отработки прикарьерных зон подземным способом.

3. Исследование напряженного состояния прикарьерного массива на момент завершения открытых работ и обоснование исходных данных для проектирования подземных работ.

4. Изучение закономерностей геомеханических процессов в прикарьерном массиве и элементах систем разработки в период производства подземных работ.

5. Обоснование размеров приграничных зон в бортах и дне карьеров.

6. Конструирование рациональных систем разработки с закладкой для выемки запасов приграничных зон.

7. Создание инженерных методов расчета параметров подземной выемки прикарьерных запасов.

8. Оценка возможности использования карьерного пространства для целей строительства рудников и отработки переходных зон.

3. Разработка практических рекомендаций, их технико-экономическая оценка и реализация.

Методика и объект исследования. В основу метода исследований положен системный подход к обоснованию методологии проектирования и параметров технологических схем подземной выемки запасов переходных зон во взаимосвязи с процессами добычи открытым способом.

В диссертационной работе применен комплексный метод исследований, включающий анализ и научное обобщение отечественного и зарубежного опыта, теоретические изыскания и экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях, конструирование, методы научного прогноза, статистическую обработку экспериментальных данных. Окончательные выводы сделаны на основе

техняко-экономя^еского анализа результатов с учетом полноты и качества извлечения руды лз недр.

Основные положения, вы.чостдге на защиту.

1. Технология подземной отработки запасов, прилегающих к предельному контуру погашению: карьеров (переходные, прикарьер-яые, приграничные зоны), технически осложнена я сопряжена с эко-ношческим удорожанием добычи. Наибольшее негативное влияние геоморфологических, геомеханических, аэродинамических факторов проявляется на расстояниях до 40-50 и от контура карьера.К переходным зонам рекомендуется относить приконтурнне запасы: в бортах карьера - на длину блока, в дне - ка высоту этава.

2. Варианты отработки приграничных зон после постановки карьера в предельное положение являются наиболее технически сложными и экономически наименее выгодными. Целесообразными и безопасными являются варианты заблаговременной, т.е. до постановки карьера в предельное положение, подземной отработки при-карьерных зон и создания на их месте изолирующих и несущих искусственных массивов.

3. В лриоткосном массиве с удалением от обнажения на расстояниях до 35-40 м независимо от литологкчоского состава и геологического строения пород образуются области разупрочнения.Степень разупрочнения: в ближайшей к откосу зоне достигает 45-75 %.

4. Строительство горизонтов и проходку подготовительных выработок в переходной зоне целесообразно проектировать из карьерного пространства параллельно с работами по основной схеме вскрытия, что обеспечивает сокращение (на 1,5-2 года; сроков веодэ запасов приграничных зон в эксплуатацию.

5. В переходной зоне бортов карьера целики работают в условиях косонаправленных нагрузок, создаваемых подрабатываемыми массивами пород. Они пропорциональны глубине работ, параметрам исходного поля напряжений к пролетам подработки по нормали к откосу.

Наиболее опасными по вывалообразованию являются сопряжение кровли камеры с барьерным целиком, а гакне верхняя часть дальней от откоса стенки камеры. При системах с закладной благоприятные условия обеспечиваются оставлением барьерных целиков, порядком отработки от г.вссива к откосу, формированием пригрукавщего борт навала пород, располояеняем целиков нормально простиранию бортов.

6. Переходная зона в донной части карьера располагается в области концентрации горизонтальных напряжений. Уровень концентрации определяется величиной горизонтальных напряжений исходного поля, соотношением размеров карьера в плане и его глубиной, а размер зоны по высоте - шириной дна карьера (1,5-2,0 ).

7. Барьерный целик (потолочина) в донной части карьера находится в условиях продольного сжатия. Действие тектонических сил, увеличение высоты камер, угла наклонов бортов карьера ведет к росту нагрузок. Изменение пролетов подработки, мощности целика влияет на характер распределения напряжений по поперечному сечению. Наиболее вероятная форма нарушения устойчивости - разрушение в режиме сжатия.

Достоверность научных положений и результатов обеспечена:

- надежностью и представительностью исходных данных;

- сравнением подученных результатов с данными аналогичных исследований и практики в России и за рубежом;

- оценкой полученных связей методами математической статистики;

- сопоставимостью результатов, полученных различными методам

Научная новизна работы

1. Оценены запасы руд за-предельными контурами погашенных карьеров по степени влияния карьерной выработки на технологию отработки их подземным способом. Показано, что по геомеханическим факторам в наибольшей мере оно проявляется вблизи карьера на расстояниях до 40-50 м от контура.

2. Установлены закономерности распределения напряжений в мае сивах приконтурных зон карьеров на момент постановки их в предел! ное положение и в процессе отработки приграничных запасов подземным способом, отличающиеся от известных тем, что в них отражено влияние параметров исходного поля напряжений нетронутого массива формы, ориентации, места расположения и геометрических параметра: очистных и подготовительных выработок, состояния очистного прост ранства, порядка отработки запасов в переходной зоне, наличия пригрузки.

3. Показано, что напряжения в барьерных целиках, формируемы в прикарьерном массиве, выше дна карьера, не достигают больших значений вследствие разгружающего влияния зон опорного давления высокой жесткости консоли трапецевидной формы сечения, образующе

сл при подработке откосов бортов. Степень нагруженности целиков определяется в основном параметрами исходного поля напряжений и пролетами подработки бортов в направлении перпендикулярном откосу. Действие тектонических сил проявляется в увеличении нагрузок на целшш, растягивающих напряжений и зон их распространения в дальних от откоса стенках камер, в уменьшении размеров аналогичных зон в кровле камер. Наиболее опасным по внвалообразованию является сопряжение кровли камеры с барьерным целиком.

4. Установлено, что потолочины в донной части карьеров подвержены действию продольных сжимающих сил, вследствие чего при рассмотренных пролетах (до 100 м) на нижних контурах потолочин не фиксируются растягивающие напряжения. Наличие тектонического силового поля, увеличение высоты камер ведет к дополнительной концентрации горизонтальных сжимающих напряжений в режиме опережающего роста их в верхней части сечения. Б стенках камер возникают растягивающие напряжения, максимальные значения которых приурочены к их верхней части.

5. Карьерная выемка отклоняет направление максимальных главных напряжений в принарьерном массиве от вертикали, в выработках, параллельных борту, это ведет к смещению зон повышенных сжимающих напряжений в верхний ближний и нижний удаленный от откоса участки контура. Зона растяжения охватывает дальнее от борта сопряжение стенки и кровли и простирается на глубину 0,5-1,5 м. В условиях действия тектонических сил отмечается ассиметричное нарушение устойчивости контура.

6. Сформулированы основные методические положения проектирования технологических схем выемки прикарьерных запасов, заключающиеся в обосновании целесообразности заблаговременной отработки этих зон системами с закладкой; ограгагчении интенсивности выемки характером деформирования подрабатываемых массивов с тем, чтобы избежать нерегулируемого обрушения; изоляции рудничной атмосферы от карьерной и использовании нагнетательного способа проветривания; планировании производства большей части капитальных, подготовительных и очистных работ по переходной зоне из карьерного пространства; согласовании календарных планов доработки карьерных запасов и развития подземных горных работ в приграничной зоне.

. Практическое значение работы состоит в:

- разработке принципов проектирования и методических рекомендаций по способам выемки запасов ценных руд в прикарьерной зоне;

- обосновании параметров технологических схем отработки переходных зон, включающих методики расчета барьерных рудных и искусственных целиков в бортах и дне карьера, пролетов обнажений, нормативной прочности закладки при наличии скальной пригрузки и

без нее, мест и объемов нарушений устойчивости подготовительных выработок, параметров сейсмобезопасной технологии;

- разработке способов выемки приконтурных запасов, обеспечивающих полноту извлечения и устойчивость подрабатываемых бортов карьера, надекнуа изоляцию очистного пространства.

Реализация выводов и рекомендаций. Использованы при составлении СредазШПроцветметом (Ташкент) технического проекта Учалин-ского подземного рудника, Гипроникелем (Санкт-Петербург) технологического регламента на отработку переходного этажа, Унипромедью (Екатеринбург) проекта опытно-промышленной отработки прпконтурных запасов северного фланга того но месторождения, технического проекта Сибайского подземного рудника, локального проекта на выемку приконтурных запасов гор.380-463 м, рекомендаций к технологическому регламенту на выемку приконтурных запасов Сибайского карьера, технологического регламента для доработки месторохде-ния "Молодежное", технического проекта на выемку переходного эта-яа Кыштымского месторождения кварца•

С использованием методических разработок автора и при его участии составлена технологическая инструкция по сооружению искусственного разделительного целика на Учалинском карьере.

Апробация -работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развитиягорной техники и технологии, обеспечивающие высокую степень механизации основных и вспомогательных процессов" (Москва, 1983, Г985), научно-техническом семинаре "Горная промышленность и окружающая среда" (Челябинск, 1983), научно-технической конференции "Совершенствование совместной открыто-подземной разработки рудннх месторождений" (Кривой Рог, 1984, 1990), Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1984, Г990), УШ Юбилейной Уральской научно-технической конференция по системам подземной разработки руд цветных металлов (Свердловск, 1989), Координационно-методическом совещании институтов-соисполнителей по заданию ОЗ.ОГ.НЗ по Плану НИР ГКНТ СССР (Губкин, 1989), научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии при подземной отработке полезных ископае-гя£Х Севера" (Якутск, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных рудников" (Москва, 1990), X Всесоюзной научно-технической конференции "Физические процессы гор-

ного производства (Москва, 1991), межреспубликанском научно-техническом семинаре "Разработка месторождений системами с закладкой выработанного пространства. Опыт и перспективы" (Екатеринбург, 1992), Межгосударственной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развитая научно-технического потенциала Южно-Уральского региона" (Магнитогорск, 1994).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 32 печатных работы, в том числе I монография, 27 статей, 4 авторских свидетельства на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глаЕ, заключения и содержит 439 стр., включая 136 рисунков, 48 таблиц и список использованных источников из 187 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Диссертационная работа выполнена в Магнитогорском горно-металлургическом института в 1980-1993 гг. Исследования, представленные в диссертации, выполнялись в рамках хоздоговорных НИР.

Автор выранает глубокую признательность сотрудникам кафедр подземной и открытой разработки месторождений полезных ископаемых за помощь, оказанную при выполнения экспериментальных исследований, а такке работникам Учалянского горно-обогатительного, Башкирского медно-серного комбинатов, научного и проектного отделов Унилромеди, способствовавшим реализации результатов исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Различным аспектам проблемы комбинированной разработки месторождений, в том числе и отработки прикарьерных зон, посвящены работы ученых М.В.Агошкова, Б.П.Боголюбова, Ю.В.Волкова, Ю.В.Демидова, Н.Э.Буркова, В.В.Куликова, Д.Р.Кадлунова, М.Г.Новожилова, А.М.Маевского, В.Н.Скуба, В.И.ТерентьеБа, М.С .Четверикова, А. Д. Черных, М.В.ШнаЁдера, ВЛ.Шестакова, В.А.Щелканова, В.П.Кматова, др.

На основании анализа отечественного и зарубежного опыта отработки прикарьерных зон на 60 рудниках установлено, что их запасы отрабатывают по отношению к сроку окончания открытых работ: заблаговременно (совместный способ разработки); вместе с частью запасов карьера (открыто-подземный); после полного завершения работ в карьере (последовательный открыто-подземный).

Период отработки прикарьерных запасов, так называемый пере-

ходный, характеризующийся наличием в зоне влияния карьера дэ.ух способов разработки в течение 2-10 лег, приходится на время доработки карьера, отличающееся высокой концентрацией работ, малыми рудными площадями в эксплуатации, постановкой 70-80 % бортов в предельное положение, напряженностью при выполнении производственной программы.

Характерной особенностью приконтурных запасов является их геологическая и морфологическая осложяенностъ, изолированность, разобщенность карьерной выработкой, растянутость по периметру карьера. Подлежащие подземной доработке участки месторождений зачастую приурочены к местам выклинок, апофиз, залежам с невысоким содержанием полезных компонентов. Особенно резко это проявляется на полиметаллических месторождениях, в меньшей степени на железорудных. Формирование в бортах так называемых "рудных треугольников" в процессе открытых горных работ значительно затрудняет их выемку подземным способом.

Размеры переходных зон определяются конструктивно и изменяются от 10 до 100 м. При делении на горизонты отметки дна используются как уровень для отсчета.

При постановке карьеров в предельное положение коэффициент запаса устойчивости может быть ниже нормативного, а отдельные участки могут находиться в предельном состоянии.

Существующие методики прогнозной оценки нагруженности и состояния прикарьарного массива позволяют надежно предрассчитать только гравитационную составляющую в бортах карьера. Закономерности распределения тектонических сил в лрикарьерном массиве изучены недостаточно.

Существенный вклад в изучение геомеханических процессов в лрикарьерном массиве, подработанном подземными выработками, внесли исследования СЛЧАвершина, С.Т.Борисенко, В.И.Еорщ-Комлониеца Д.М.Казикаева, А..А.Вовк, А.Б.Макарова, В.Н.Можжерина, Г.Я.Черного, Ю.Л.Кйакова, Р.Е.Юна и др. Из них большая часть приходится а изучение механизма образования воронок и сдвижения подрабатываем подземными работами бортов карьеров.

Из обзора литературных источников следует, что при ведении подземных работ в приконтураой зоне создается сложная геодинамическая система с изменяющимися во времени и пространстве ларамет рами силовых полей и свойствам! пород, интенсивность и характер протекания геомеханических процессов определяются совместным вли

нием открытых и подземных выработок. Производство подземных работ в приграничной зоне сопряхсено с возможностью нарушения равновесия больших по объему масс горных пород, а образование зон разгрузки и косонаправлешшх нагрузок создает неблагоприятные условия для работы несущих элементов систем подземной разработки.

Обобщение накопленного опыта позволило выявить особенности технических решений при проектировании технологий выемки при-карьерных зон:

- в связи с близостью карьерной выработки в технологических схемах отработки предусматриваются мероприятия по нейтрализации отрицательного влияния карьерного пространства;

- как способ нормализации рэяима вентиляции наибольшее распространение при сястетх с обрушением получила завалка зон карьера породами вскрыши, однако при большее глубинах карьеров и в районах с резко континентальным климатом он не гарантирует от проникновения холодных тсс воздуха;

- надежная изоляция подземных выработок от карьерного пространства обеспечивается оставлением рудных целиков или форгжрова-нием искусственных в сочетании с системами разработки с закладкой. Мощность изолирующих целиков и объемы консервируемых запасов варьируют в больших пределах;

- конструкции горизонтов, систем разработки в приконтурной зоне из-за морфологических особенностей запасов отличаются повышенными объемами выработок;

- карьерное пространство используется в основном для проходки вспомогательных выработок, выброса исходящей струи, доставки оборудования. На стадии очистных работ использование карьера носит эпизодический характер из-за сложностей в организации проветривания и содерзаняя выработок и коммуникаций в условиях недействующего карьера.

При всей сходности технологических схем отработки приграничных запасов по набору структурных элементов и содержанию технологических процессов с традиционными в обычных условиях подземной разработки, они имеют ряд отличий, налагаемых близостью карьерного пространства в части интенсивности работ, порядка выемки, конструкции систем разработки, способов ограждения очистного пространства. Большинство из них еще не нашли соответствующего технического воплощения.

Наг.® предлагается все способы разработки переходных зон раз-

делить на 3 класса по состоянию подрабатываемых бортов карьера: с их обрушенном; с сохранением в устойчивом состоянии; с обрушением на некоторых участках. Классы разделяются на группы по приз-пакам:

- способ управления устойчивостью бортов карьера;

- способ изоляции подземного очистного пространства;

- степень совмещения способов разработки во времени;

- степень использования элементов технологии открытых работ;

- вариант системы подземной разработки.

Наряду с общими требованиями высокой полноты выемки, достижения проектной производительности, экономичности, технологические схемы выемки запасов приграничных зон должны обеспечивать;

- изоляции подземного очистного пространства от аэродинамических связей с атмосферой карьера и нерегулируемого проникновения паводковых и ливневых вод;

- устойчивое состояние подрабатываемых бортов карьера и прилегающей территории, а при системах с обрушением - возможность управления процессами одолжения;

- совмещение подземных работ в переходный период с открытыми на стадиях строительства а набора мощности подземным рудником;

- использование карьерного пространства, элементов технологии открытых работ, существующих коммуникаций и сооружений;

- опережающий характер проходческих работ, возможность очистных до постановки карьера в предельное положение для ликвидации разрыва в добыче в переходный период;

- соответствие конструкции систем разработки, параметров технологии и порядка отработки геоморфологически?,1 особенностям запасов и специфике геомеханяческях процессов.

Наиболее сложным в техническом исполнении является выполнение первых двух требований, вследствие слабой изученности этих вопросов, повышенной напряженности руд и пород в прпкарьерной зоне к моменту начала подземных работ, ведение которых еще больше усугубляет геомеханическую обстановку. Избежать экстремальных сл-туацяй позволяет применение систем разработки с закладкой.

Принципы проектирования рациональных технологических схем выемки прлкарьерных запасов сводятся к следующему.

I. Если позволяют сроки, целесообразна опережающая, заблаговременная, т.е. до завершения открытых горных работ, отработка переходных зон и создание на их месте изолирующих и несущих глас-

сдзов.

2. Планирование основного объема добычи подземным способом на переходный период на рудных площадях за пределами прикарьер-нкх зон (малое долевое участие в общей программе добычи)•

3. Разработка мероприятий и сооружение устройств для изоляции рудничной атмосферы от карьерной и применение нагнетательного способа проветривания. Вопросы изоляции рассматриваются в комплексе с геомеханиче скшя.

4. Минимальное возможное ослабление подрабатываемых бортов карьера на стадии выемки прикарьерных запасов путем использования систем разработки с закладкой, оставления продохранительных целиков, принятия соответствующего порядка и интенсивности выемки, создания пригрузки.

5. Организация горных (капитальных, подготовительных, очистных) работ из карьерного пространства параллельно с работами по основной схеме вскрытия и подготовки месторождения.

6. Календарная увязка горных работ в карьере и подземном руднике, обеспечивающая возмещение выбывающих мощностей открытого рудника.

С использованием разработанных методических положений составлены принципиальные технологические схемы отработки прикарьерных зон, отличающиеся способом изоляции от атмосферы карьера,сроками производства относительно открытых, вариантами систем разработки, на их основе выявлены объекты геомеханического обоснования, обозначены объемы необходимой геолого-маркшейдерской информации по обеспечению этих проработок. Разработаны конструкции систем разработки для переходных зон, часть из которых защищена авторским свидетельствами на изобретение.

Предварительная оценка свидетельствует о преимуществах технологических схем, предполагающих отработку прикарьерных зон до завершения открыткх и образование на их месте разделительных искусственных массивов. Выемка прикарьерных зон после постановки карьера в предельное положение влечет рост пзтерь до 20-25 %, а себестоимость растет на 20-30 %.

Основной объем исследований был выполнен на 3-х медноколче-данных месторождениях Урала и частично на месторозденин гранулированного кварца. Отдельные результаты били использованы для прогнозной оценки возможности применения систем разработки с закладкой для подкарьеряых участков ряда железорудных месторождений.

Все, за исключением месторождения кварш, отличает большая глубина открытых работ (Сибанское - 469, Учалинское - 320, Молодежное - 248 и), значительный объем пряконтурных запасов (.30-70$ от общих подземного рудника), высокая ценность полезного ископаемого, острый дефицит времени на организацию подземной добычи. Диапазон механических свойств - от сыпучих (Сибайское) до прочных монолитных (Учалинское). Параметры исходных силовых полей неизвестны.

Нагружонность прикарьерного массива определяли методом натурных замеров, проводимых в зоне влияния карьер, в сочетании с методом математического моделирования. Дня перехода к параметрам исходного поля напряжений производилось задание граничных сил в модели таким образом, чтобы обеспечивалось получение в сходственных с натурным точках значений напряжений, равных полученным инструментальными наблюдениями. Если дозволяла горно-техническая ситуация, то проЕодились контрольные замеры на удаленных от карьера участках.

Для ориентировочной оценки направлений главных напряжений естественного силового поля нетронутого массива применяли метод, предложенный М.В.Гзовским. Для реализации использовались геолого-структурные данные о нарушениях 1-Ш уровней (по классификации М.В.Рада). Инструментальную оценку напряженности массива пород проводили с использованием методов разгрузки на больших базах,щелевой разгрузки, гидроразрыва и сейсмического. Сочетание методов позволяет получать данные по нагрукенности пород на контуре и в удаланннх от выработки точках.

Для расчета напряжений и деформаций в массивах пород и закладке использовалась программа ИЕЕ ВНИИГ им.Веденеева и Кольского филиала РАН. Учитывались реальная неоднородность массива, его естественная трещиноватость, геометрия спрямленных профилей бортов, фактическая морфология рудного и породного массивов, этадность выемки запасов и возведения массива закладки. Напряженное состояние прикарьерного массива исследовали также методом фотоупругости. Изучение процессов деформирования массива борта, подработанного подземнкми выработками, проводили на эквивалентных материалах по методике ВНИМИ. Положение и форму поверхности скольжения в массиве борта, ослабленного подземными выработками, находили на модалях из игдантина с использованием метода Г.И.Терцаги.

Для получения сведений о распределении прочности и деформируемости пород, разгруженных карьером, проводились испытания образцов кернов, выбуренных из массива борта. Горизонтальные скважины были заданы по коренным скальным однородным породам. Их бурили нормально простирании борта. Результаты изучения свойств сопоставлялись с данными о напряженном состоянии пород, полученными при оптическом моделировании.

Математическая обработка эксперимент альных данных показала, что изменение прочностных характеристик пород происходит по закону затухающих колебаний относительно прямой, характеризующей общую тенденцию к увеличению показателей с углублением в массив. На фоне общей тенденции к увеличению характеристик тлеются ослабленные участки. Совместное изучение напряженного состояния и механических свойств прибортового массива свидетельствует, что немонотонный характер их изменения обусловлен неоднородностью поля напряжений. Отношение нормальных напряжений к касательным по площадям среза повторяет характер изменения механических свойств пород.

По данным натурных замеров на Учалинском карьере, длинная ось которого ориентирована в меридиональном направлении, горизонтальные напряжения широтного простирания концентрируются в дне карьера. На гор.340 м в выработке широтного направления горизонтальная компонента увеличивается до 15,9 - 0,2 МПа, вертикальная составляет 5,3 - 0,6 МПа. В прибортовой зоне напряжения также не соответствуют распределению А.Н.Дияника. Вертикальная компонента в откосе и нетронутом массиве близка по величине к ЙН я превышает это значение только в нижней части карьера за счет подпора от деформирующихся откосов, горизонтальные компоненты вкрест простирания карьера и вдоль карьера заметно превышают горизонтальные гравитационные от веса пород. За пределами зоны влияния карьера (нетронутый массив) это различие сохраняется. Замерами регистрируется наличие в прибортовом массиве зоны концентрации горизонтальных нормальных напряжений параллельных откосу. Результаты замеров на Учалинском месторондении различными методами согласуются между собой и соответствуют данным математического моделирования напряженного состояния прякарьеряого массива при величине тектонических напряжений 5,6-6,8 МПа.

В нетронутом массиве пород Сибайского месторождения наибольшее главное напряжение отклонено от меридионального направления на северо-ЕОсток на 29,5 ^ 4,3°. Вторая составляющая горизонталь-

ных напряжений близка по величине к гравитационной. Вблизи борта карьера наибольшие значения компонент зафиксированы при азимуте простирания штрека 62°, и наименьшие - в штреке с азимутом 3°. Построение эллипсоида напряжений показало, что направление наибольшего напряжения в горизонтальной плоскости отклонено от меридионального и соответствует результатам замера методом разгрузки на большой базе, прогнозному направлению главных напряжений по данным реконструкции и других исследователей для Уральского региона.

На Кыштшском месторождении горизонтальные компоненты на гор.347 м превышают гравитационную составляющую за счет концентрации их в донной части карьера. Сказывается, по нашему мнению, и рельеф местности.

В целом натурные эксперт-тенты выявили наличие зон разгрузки и концентрация горизонтальных составляющих, существование сил тектонической природы, непостоянство параметров шля напряжений и их зависимость от места проведения замеров и строения город.

Влияние глубины карьера, угла и геометрии откоса борга, величины тектонических напряжений, геологического строения месторождения на напряженное состояние прикаръеркого массива изучалось методом конечных элементов.

Наличие тектонических сил увеличивает зону растягивающих напряжений в бортах карьера и их величину, уровень концентрации горизонтальных напряжений у нижней бровки откоса. Вследствие изменения ориентировки главных напряжений зона влияния карьера по горизонтали возрастает до 2-2,5 Нк.

Напряжение на контуре нижней части борта карьера может быть найдено по эмпирической зависимости (МПа)

Gi = 10"6(o.OO&2STnH^ +т) , ( I )

где Yn- объемный вес пород, Н/м3; Н - глубина расположения сечения, м; скр- угол наклона борта, град;

Т- тектоническая составляющая, Па.

При удаления в массив от контура борта

= ■МсГ'ГДа , 12)

где Pin - расстояние по вертикали от откоса борга, м.

Основание карьера является зоной концентрации тектонических напряжений. Изотропные области увеличиваются, их формирование происходит на большем удадэнии от дна карьера 170-150 м).

Моделирование показало большую изменчивость полей напряжений по величине и направлению. Наибольшее возмущение вызывают дайки, кососекущие месторождение, контакты пород с различными деформационными характеристиками. Массив дайки, как менее жесткий, формирует зоны разгрузки в более упругих окружающих породах. В результате вблизи даек направления главных напряжений согласуются с их ориентацией.

Зональные нарушения устойчивости обычно приурочены к местам резкого излома борта, нижним уступам глубоких карьеров, т.е. связаны с формой борта и его геометрическими размерами. Анализ эпюр распределения напряжений показал, что наличие уступов вносит возмущение в поле напряжений в приконтурной зоне. Размер зоны возмущения сопоставим с размерами элементов систем подземной разработки в приграничной зоне.

Таким образом, размеры переходной зоны в основном определяются интенсивностью развития геомоханических процессов в ней. Исходя из результатов исследований, за приграничную зону по наибольшей степени негативных проявлений геомеханических факторов рекомендуется принимать прикарьерные массивы с размерами, равными размерам выемочных блоков, т.е. в бортах - длине блока, а в донной части - высоте этажа.

Исследованием закономерностей распределения напряжений в прибортовом массиве в процессе ведения подземных работ в зависимости от порядка отработки, формы и размеров камер и целиков установлено, что карьерная выемка изменяет характер нагружения несущих элементов, в результате они работают в условиях косонаправ-ленных нагрузок: целики - сжатии со сдвигом, кровля камер - растяжения со сдвигом. В наиболее сложном напряженном состоянии находятся барьерный и первый близлежащий к нему целик, а также кровля первой от откоса камеры.

По абсолютной величине напряжения в барьерных целиках невелики. Напряжения в зонах опорного давления в 1,5 раза выше, чем в целиках трапециевидной формы и в 2 раза выше, чем в целиках ромбовидной Форш. При увеличении высоты целиков вертикальная составляющая нормальных напряжений изменяется незначительно.горизонтальная - уменьшается.С глубиной напряжения в барьерных целиках растут, характер их распределения по сечениям сохраняется.

Шполнение камер закладкой значимо не изменяет вертикальную составляющую напряжений в барьерных целиках,но увеличивает горизонтальную в среднем в 1,35 раза.Вертикальные нагрузки на целики

в переходной зоне создаются участком подработанного откоса, а горизонтальные вызываются деформированием пород в объеме призмы сдвижения. Нагруженность барьерного целика мало зависит от стадийности выемки, коэффициенты концентрации <3\ при последовательной отработке камер первой, второй и третьей очередей составили 0,36; 0,40; 0,43. Согласно эпюрам распределения напряжений по горизонтальному сечению целика и искусственному массиву камер ведение подземных работ ог пассива к откосу предпочтительнее, в этом случае сокращается время стояния барьерных целиков, работы проводятся в зоне с меньшим опорным давлением.

Формирование пригрузки сникает касательные напряжения в искусственном массиве. Пригрузка борта карьера, не достигающая уровня кровли отрабатываемого подэтажа (слоя), практически но оказывает влияния на величину напряжений в вышележащем слое. Интенсивный рост значений (э* и начинается только при перекрытии цригрузкой основания подрабатываемого слоя. Создание пригрузки позволяет заметно снизить нормативную прочность (в 1,5-2 раза).

Распределение напряжений в целике при образовании вертикальной трапециевидной камеры имеет выдержанный характер. Увеличение высоты камеры сопровождается пригрузкой барьерного целика и ростом в нем продольных напряжений. Действие тектонических сил проявляется в увеличении нагрузок на целик, растягивавдах напряжений в стенке камеры, зоны их распространения вглубь массива до 1012 м, смещении этой зоны относительно цетра обнажения. Большие по величине сжимающие напряжения возникают на нижнем контуре целика, неравномерность усиливается по мере роста пролета и тектонических напряжений. Другая компонента, перпендикулярная откосу борта, также сжимающая, выше уровня кровли камеры она становится растягивающей, при больших пролетах достигает 0,7-1,3 МПа, Наиболее опасным по вывалообразованию является сопряжение кровли камеры с целиком. Приложение тектонических нагрузок уменьшает размер зон и величину растягивающих напряжений в кровле и тчве камеры.

При большой длине целиков ленточной формы (N '• ^ч у 5 ) вследствие косонаправленного характера нагрузок развиваются растягивающие напряжения на внешнем контуре в нижней части целика и на внутренней - в верхней. Наиболее выдержанный характер распределения имеет среднее сечение. Степень нагруженности целика определяется в основном параметрами исходного поля напряжений и пролетом подработки борта по направлению нормали к откосу, который

интегрально учитывает и .другие размеры очистной выработки, а такие ориентацию и полозениэ их относительно контура карьера.

Вше изложенное позволяет рассматривать барьерные целики как опоры с разным соотношением высоты (длины) и ширины . нагруженные собственны!* весом и хосонаправленноп силой от подработанных бортов карьера.

Производство подземных работ в донной части карьера характеризуется появлением зон концентрации напряжений в днище камер и барьерном целике ('потолочине). Имеет место его внецентреяное сжатие, следствием чего может быть выпирание целика в карьер и развитие на верхней кромке растягивающих напряжений. При рассмотренных пролетах подработки не фиксируются растягивающие напряжения на нижнем контуре даже при отсутствии тектонической составляющей. Существование тектонического поля напряжений ведет к дополнительной концентрации сжимающих напряжений в потолочине. Нагруже-ние происходит в режиме опережающего роста горизонтальных напряжений в верхней его части. Увеличение высоты камеры также вызывает рост горизонтальных напряжений, наибольшую интенсивность этот процесс имеет в верхней половине целика. Зависимость коэффициента концентрации горизонтальных напряжений в середине целика от высоты подземной камеры может быть описана линейной функцией.

Мощность потолочины, которая варьирует в широких пределах (5-50 м), определяет жесткость и несущую способность Есей конструкции. Моделированием показано, что с увеличением ее толщины наблюдается снижение по величине сжимающих напряжений на верхнем контуре и возрастание их на нижнем. В средней части они остаются постоянными.

В модельных экспериментах по количественной оценке влияния углов наклона борга на закономерности нагружения целика диапазон их изменения составлял 35-65°. Установлена прямая зависимость напряжений от угла наклона, но интенсивность неодинакова, на верхнем контуре она еышв.

Горизонтальные напряжения, возникающие в средней части сечения разделительного целика (МПа) ^

'025 ^0,0123^0.0^5--55>1] ,( 3 )

где Цк- глубина карьера, м; — высота камеры, м;

- коэффициент бокового отпора пород; X - объемный,Н/м3;

расстояние от дна карьера, принимается разным половине мощности целика, м; е - основание натурального логарифма.

Вертикальные компоненты напряжений в целике по величине небольшие (0,1-0,7 МПа) и зависят в основном от тектонических сил

§а = -0,2811 + 0,0351*1 + 0,аГ2(Ир - 0,005?1к + 0,0ШР - I , ( 4 )

где Щц - мощность целика, м; Р - пролет камеры, м.

Распределение напряжений в .днище камеры практически подчиняется тем же закономерностям, что и в дне карьера. Максимальные сжимающие напряжения на контуре днища камеры

Сх= 1,017 + 3,724Т + 0,057&к-0,03бЬк +0,021^+ О.ООЭ^ц ( 5 )

В стенках камер действуют растягивающие напряжения, их максимум смещен от центра в верхнюю часть камеры. При удалении в массив на расстоянии 2-3 м происходит переход растягивающих напряжений в сжимающие и монотонное нарастание до уровня в нетронутом массиве. Четко выраженной зоны опорного давления даже при значительных пролетах не обнаруживается. Корреляционная зависимость максимальных растягивающих напряжений в стенке камеры от основных факторов тлеет вид

-0,656 + 0.429Т+ О.ОП&к- 0,024"^+ 0,011^ + 0,001&к(6 )

Восходящий порядок отработки месторождения улучшает геомеханическую ситуацию на нижних горизонтах, но усугубляет ее в переходной зоне, потому что барьерный целик становится местом концентрации горизонтальных напряжений. На месторождениях с крепкими, жесткими рудами сопряжен с возможностью динамических форм проявления горного давления в массивах переходных этажей, а при слабых -разрушения их и развития процессов сдвижения. В больших масштабах проявление негативных последствий следует ожидать в тектонически активных районах.

Наличие карьерной выемки отклоняет направление действия максимальных главных напряжений от вертикали, вызывает асимметрию напряженного состояния вокруг подземных выработок, расположенных параллельно борту, нередко ведет к вывалообразованию, формоизменению из-за несоответствия сечений, типа крепи и мест ее установки реальным силовым воздействиям.

Согласно исследованиям зона максимальных сжимающих напряжений смещается в верхний ближний и нижний, .удаленный относительно поверхности борта, участки контура выработки, а зона растягивающих охватывает дальнее от поверхности откоса сопряжение кровли и стенки выработки и простирается вглубь массива на расстояние 0,5-1,5 м. Здесь же действуют минимальные сжимающие напряжения, что делает ее потенциально опасной с точки зрения устойчивости контура. Прогнозирование формы и размеров вывалов предлагается производить по условиям прочности, предложенным Э.Касларьяном и позволяющим учесть положение и прочностные характеристики поверхностей ослаблений. Наиболее устойчивые формы сечений горизонтальных выработок, расположенных в прибортовой зоне и параллельных борту, соответствуют эллипсу с наклонными осями, ориентированными по направлению главных напряжений.

Поле напряжений вокруг выработки в придонном массиве характеризуется формированием в кровле и почве зон повышенных горизонтальных сжимающих напряжений и растягиваицих в стенках. Невысокая чувствительность контурных напряжений в кровле выработок к их ширине в донной части карьеров в условиях действия тектонических напряжений позволяет использовать горизонтальные обнажения увеличенных пролетов. Наиболее устойчивая форма поперечного сечения выработок также эллиптическая.

Изучение закономерностей смещений подработанного массива борта проводили моделированием на эквивалентных материалах. С увеличением пролета подработки, глубины заложения подземных выработок деформации возрастают. Ейполнение камер закладкой снижает деформации налегающего массива на 35-60 %. Построение годографа векторов смещения точек массива указывает на преобладающее влияние на направление векторов смещения точек подработанного массива главных напряжений, создаваемых карьером. Подземная выработка отклоняет векторы сдвижения в свою сторону тем сильнее, чем меньше расстояние от выработки до репера. При развитии работ в направлении к откосу смещение точек массива происходит в обратном направлении, в результате удерживающие силы по поверхности скольжения и устойчивость откоса увеличиваются, поэтому такой порядок отработки является предпочтительным.

Сравнение величин деформаций массива с оставлением и без оставления барьерного целика показало, что в первом случае величина смещения точек в среднем на 25 % ниже. При больших пролетах происходит оседание подработанного массива борга с образованием поверхности' сдвига в целике.

Изучалось влияние песта расположения выработки в борту, ее размеров, наличия барьерных целиков л закладки на положение поверхности скольжения. При увеличении глубины заложения выработки ее положение смещается в сторону карьерного пространства, коэффициент запаса устойчивости борта снижается, что подтверждается расчетами, проведенными по Г.Л.5исенко. Заполнение камер закладкой не меняет местоположения общей поверхности скольжения в массиве борта. Наличие закладки значительно снижает потерю устойчивости борта при подработке. В этом случае при расчете устойчивости борта можно пользоваться общеприняты.«! методиками. В условиях действия тектонических сил положение поверхности скольжения находилось по минимальному значению показателя относительной устойчивости. Расчетами установлено, что с увеличением тектонических напряжений поверхность скольжения смещается в сторону откоса, а коэффициент запаса снижается.

Объектам! обоснования при проектировании технологических схем выемки запасов переходных зон являются мощность барьерных и между-камеркых целиков, размеры обнажений горного и искусственного массивов, нормативная прочность закладки, горядок отработки, ориентация и форма подготовительных и очпстных выработок.

Анализ существующих методов расчета устойчивых размеров барьерных целиков (потолочин ) в дне карьера показал, что наиболее распространенным является представление их в виде плит с различным характером закрепления,по контуру. Неучет действия тектонических сил, концентрации горизонтальных напряжений в подкарьерном массиве, отсутствие связи с устойчивостью бортов, использование этих методов при малых соотношениях пролетов обнажений и толщины потолочин заметно снижает точность расчетов.

Исходя из результатов проведенных исследований,.для инженерных расчетов по оценке напряженного состояния барьерных целиков в основании карьера предлагается использовать решение балки, нагруженной продольными и поперечными силами. В качестве поперечных принимаются нагрузки от собственного веса, веса обрушенных пород, оборудования, а продольных - силовые воздействия от дейормирувдих-ся массивов пород. Горизонтальные напряжения на нижнем и верхнем контурах барьерного целика

(о,4 = * ^ * &X , ( 7 )

где - напряжения от поперечных нагрузок, находятся по известным методикам; (о,/ - напряжения от продольного изгиба;

(о - напряжения сжатия от действия продольных сил. Напряжения от продольного изгиба

г- (Г.Р ( 8 )

где и„ - прогиб от равномерно распределенной нагрузки для балок с прямоугольной формой сечения;

р^ - критическая Эйлерова сила;

Р

Р - величина продольной силы на барьерный целик; осевой момент сопротивления сечения при изгибе.

Эффект продольного изгиба ощутимо проявляется только при соотношениях тпц : Р меньших 1:5, при больших значениях в л/ ж-но не учитывать. Горизонтальные напряжения (ох находятся по выражению (3), в которое для учета реологических процессов вводится коэффициент ползучести. Вертикальную компоненту (эа находят по зависимости (4).

Определение прочных размеров барьерных целиков предлагается производить, используя теорию прочности 0.Мора, представленную аналитическими выражениями в главных напряжениях.

йрьерные целики в борту карьера подвержены воздействию повышенных продольных сжимающих и сдвигающих сил. В расчетной схеме целик заменен жесгкозакрепленной опорой, внешняя нагрузка на однопролетную балку переменного сечения распределена по закону трапеции с учетом концентрации напряжений вблизи поверхности откоса и наклона к горизонту скСр • град

скСр = * ^ ^ • С 9 )

где Ц - расстояние от поверхности карьера до уровня кровли камер, м

В'---!- , ^ , ( Ю)

где а - ширина барьерного целика, м; £> - пролет камеры, м.

Задача дважды статически неопределима, для ее решения использован метод сил. Решением системы уравнений находятся реакции Х- и У-2 я компоненты напряжении, действующие в барьерном целике ( МПа )

, зе[кн+«-юе] , -î.

se + юе- J ' ( п )

где Кр - коэффициент распора, зависящий от отношения ширины к высоте целика, определен по данным оптического моделирования;

р - плотность пород, кг/м3; К ~ коэффициент концентрации напряжений, определен по результатам моделирования в зависимости от угла наклона борта. При наличии тектонических силовых полей в массиве месторождения

* К = 0,00825ску +КтТ/ТпИк.

Прочные размеры целиков находятся сравнением приведенных значений напряжений по третьей теории прочности с прочностью массива, ослабленного карьерной и подземной выработками. Приведенный выше метод расчета напряжений в барьерных целиках бортов карьеров справедлив .для жестких опор. Если высота целика превышает его мощность в 5 и более раз, необходимо учитывать возможность продольного и поперечного изгиба.

Для расчета ширины целиков и пролетов камер при больших протяженности залежи вдоль борта и ширине подработки массив над камерами рассматривается как многопролетная десткозащемленная однородная изотропная балка переменного сечения, нагруженная силок тяжести, распределенной по закону, соответствующему спрямленному профиле борта карьера. 3 качестве примера рассматривается прибортовой массив, подработанный четырьмя подземными камерами, как балка, лежащая на 4-х опорах. Поставленная задача четырежды статически неопределима. Для ее решения составляется уравнение трех моментов .для каждого отрезка балки, лежащей на трех опорах, в результате получается система четырех уравнений с четырьмя неизвестными моментами в опорах. Решением системы уравнений находится общая нагрузка на целики и прилегающий к четвертой камере неподработайный массив (табл.).

24

Таблица

Значения моментов сил и реакции в опорных целиках

Характеристика

Оппеделяюцее уравнение

Значение численных коэффициентов

в опошх

I

1

2

I

3

4

I в прпмы-

кающем

1 массиве

О

-0,085 -0,160 -0,275 -0,123

Опорный 5

момент, Нм = К;ас

Реакция от опорных ~

моментов, Н ^„^«¡суР -0,085 0,010 -0,04 0 0,2 6 7 0,152

Реакция от сил,действующих слева от опоры, гч о

н

Реакция от сил,действующих справа от опоры, Н

йсп-К^Р

0,333 0,833 Г,333 1,500

0,166 0,666 1,166 1,500

Реакция от опорных мо-

зад™ °'081 1'ОГО Г'960 3'100 3<Г00

сил, Н 1

где М; - опорный момент от заданных сил в I -ой опоре, Нм;

^ - номзр опоры, соответствующий порядковое номеру целика,

считая от поверхности откоса; £ - расстояние г.гедду опорами, м;

п - составляющая вертикальной нагрузки над второй опоооЗ, 7 Н/м.

Максимальный по условию устойчивости рудных целиков пролет

камеры ^ , м р

где [б**] - предел прочности руды на окатле с учетом ослабления при подработке,,Па; |<ц - числовой коэффициент при определении коэффициент запаса прочности.

Максимальный пролет камеры по условию подработки (м)

( 12 )

& . С] 4)^9(кг [(а?дс]

^¡Р^ап ' (13)

гнб к^ - числовой коэффициент, К^- = 0,018; = 0,065;

Кд = 0,144; К^ = 0,178; ^ - номер камеры, считая от поверхности

откоса.

Для донной части карьеров наш предлагается выявлять .два случая при оценке устойчивости ЫКЦ. Первый - ЖЦ поддерживает оба борта карьера и работает как распорный элемент, второй - МКЦ поддерживает один борт, он выполняет функции контфорса.

В первом случае нагрузки формируются совокупным действием гравитационного и тектонических полей. Запас прочности МКЦ при стадийной выемке запасов переходной зоны протяженных карьеров с твердепцей закладкой

У[ ~ -7=-^ и- 1 ( 14 )

От* Кс К к

где [(эсчЛ ~ ПР0ЧЯ0СТЪ массива руды на сжатие, ИПа; Кф - коэффициент форш целика; Кн - коэффициент, учитывающий упрочняющее влияние закладки;6Т & - горизонтальная составляющая напряжений в нетронутом массиве вкрест простирания залежи на уровне рассматриваемого горизонта, МПа; Ке - коэффициент концентрации горизонтальных напряжений в донной части карьера на момент постановки его в предельное положение; Ки - коэффициент концентрации нагрузки, зависящей от стадийности разработки.

На основании моделирования коэффициент Кб в данной части карьера ниже зоны разрушенных взрывом пород

К6 0,35 - о.31. (15:

Запас прочности комбинированного целика при подрезке его противоположной камерой соседней ленты (случай 2)

где ТГр - объемный вес руда, т/м3; - высота целика, м; X5 - объемный вес закладки, т/м3; Кпот- высота потолочины, м; ц>р- угол внутреннего трения руды, град; Ор , - сцепленле массива руды и закладки, т/м2; Кк- коэффициент концентрации напряжений; длина камеры, м; - сумма сдвигающих сил по

длине подработанного борта карьера; ^.(-/^^■♦-СО - сумма удер-аиваюзшх сил до длине поверхности скольжения подработанного борта карьера, т/м.

Учесть влияние пространственных размеров карьера на форми-рущееся исходное поле напряжении предлагается, используя методику, рекомендуемую Н.П.Влохом, А.В.Бубновым и др. Коэффициенты концентрации в центре дйища при выработанном пространстве бесконечной длипы находятся по результатам моделирования.

При оставлении жестких несущих элементов (барьерные и между-камерные целики) наибольшая часть нагрузок приходится на них,искусственный массив го прочности должен обеспечивать сохранность горизонтальных и вертикальных обнажений закладки. Если же такие элементы в конструкции отсутствуют, то прочность искусственного массива проверяется дополнительно по условиям устойчивости подрабатываемых бортов карьера и обеспечению нормативно допустимых деформаций.

Напряжения в искусственном массиве (Ша) при отработке приграничного слоя в борту карьера

* г

^х = Т^^г '» (17)

где | - ширина подработки, ы; К - коэффициент концентрации вблизи поверхности откоса.

Компоненты напряжений в массиве закладки в варианте с при-грузкой основания борта

= т-Тсоз^ср^Н + зС^-К^] .

где К|>- коэффициент бокового отпора; Тпу- вес I м3 пород пригрузки, Н.

Если выемка запасов в дне карьера ведется открытыми камерами или под защитой искусственного целика, выполняющего в основном функции изолирующего, а не несущего элемента, то на искусственные целики, как максимально возможное, действует давление, создаваемое призмой сдвижения борта.

В связи с отсутствием строгих аналитических методов .для определения величины максимальных смещений кровли при отработке приконтурных запасов с оставлением барьерного целика использовано дифференциальное уравнение изогнутой оси, решением которого получено уравнение прогибов р

119'

о о®

+ MhJ^л=«¿£í/dJ Ж,-

Е о • 4 '

Результаты расчета по выражению (19) для Слбайского карьера хорошо согласуются с данными моделирования на эквивалентных материалах .

По зависимости коэффициента затухания деформаций от расстояния до подземной выработки определяются деформации откоса и прилегающей поверхности, если они превысят нормативно допустимые для борта действующего карьера или расположенных на поверхности объектов, то отработку запасов охранного целика следует вести с заполнением выработанного пространства монолитной закладкой.обес-печивающей сохранность подрабатываемых объектов. Состав закладки и ее деформационные свойства обосновываются сравнением допустимых и ожидаемых смещений пород, которые определены Правилами охраны и строительными нормами.

Специфика ситуации, возникающей в переходный период, состоит в том, что открытые и подземные работы производятся в непосредственной близости друг от друга. Условие сейсмоустойчивости с требуемым уровнем запаса Н имеет вид

28

» [^э.пр]^ П.

( 20 )

Выбор этих параметров объясняется удобством перехода на расчет предельных расстояний и весов зарядов по допустимым напряжениям. Критическая скорость смещения массива ["У^р] .для подземных выработок и элементов конструкции рассчитывается, исходя из класса важности и суммарного ранга объекта, учитывающих срок его службы, скорость воля и тип крепи. Через критическую скорость смещения находится значение предельного эквивалентного приведенного расстояния при известном режиме взрывания.

Дальнейшая задача по определению предельной массы взрываемых зарядов или безопасных расстояний до охраняемых объектов решается при равенстве [(^.щ,] и фактически определенного приведенного расстояния с учетом основных горно-технических факторов, таких как типа ВВ, степень наклона зарядов, число открытых поверхностей, удельный расход ВВ, наличие воздушных промежутков и др. Полученные параметры уточняются при сопоставлении размеров взрываемого блока, расстояния до охраняемого объекта и их взаимного положения с помощью коэффициента, учитывающего пространственную рассредоточвнность заряда.

Оценка устойчивости подрабатываемого борта карьера проводится путем определения по наиболее слабой поверхности соотношения сдвигающих и удерживающих сил с учетом действия динамических сил, вызванных взрывными работами, и изменения физико-механических характеристик пород при подработке. К расчету принимается самая неблагоприятная комбинация действующих сил.

С целью проверки возможности использования предлагаемой методики была проведена съемка карьерных взрывов на Учалинском я Сибайском карьерах. Проанализированы случаи нарушения устойчивости подземных выработок карьерными взрывами, это позволило уточнить допустимые скорости смещений.

При исследовании напряженного состояния массива пород на Сибайском карьере сейсмическим методом оценивался коэффициент грунтовых условий. Здесь же были зарегистрированы 15 массовых взрывов. Сравнение опытных значений к* с расчетными показало, что они находятся в пределах 2,0-2,6 м/с (м/кг)*^3 и не превышают их. Полученная зависимость скорости смещения от приведенного расстояния согласуется с результатам, полученными другими исследо-

вателями. С использованием физико-механических свойств пород и вышеизложенной методики были рассчитаны значения критических скоростей, предельно допустимых весов мгновенно взрываемых зарядов и при КЗВ для незакрепленных и закрепленных подземных выработок в лрикарьерной зоне.

На Учалинском карьере были зафиксированы параметры сейсмо-колебаний 6 массовых взрывов. Инструментальные наблюдения показали хорошую сходимость параметров сейсмоколебаний с результатами ранее проведенных исследований и данными прогнозной оценки по предложенной методике. При обосновании сейсмобезопасной технологии учитывались сочетания свойств пород в местах взрыва и размещения выработок, нарушенность массива, расстояние от поверхности и места взрыва, линейные размеры взрываемых блоков, тип крепи, срок службы, технологии взрывания. Для обеспечения оперативности расчетные соотношения номографированы.

Практическая реализация разработанных принципов и методик проектирования технологий подземной выемки переходных зон осуществлена на медноколчеданных месторождениях Урала и Кыштымском месторождении кварвд.

Под руководством и при участии автора для Учалинского подземного рудника был выполнен на стадии предпроектных проработок и в процессе строительства ряд НИР, которые являлись основанием для корректировки технического проекта, а в последующем и для составления локальных проектов на отработку прикарьерных зон. Отказ от традиционного порядка проведения "ствол - квершлаг -штрек" и переход на вскрытие и подготовку переходного этажа из карьера и дренажных выработок позволяет сократить общий срок строительства рудника на 1,5-2 года и получить экономический эффект в сумме 3,9 млн.руб. в ценах 1988 года.

Технико-экономическое сравнение вариантов систем разработки для выемки прикарьерных запасов в дне и бортах выявило преимущество камерных систем разработки с твердеющей закладкой и оставлением рудного разделительного целика. Определение параметров систем разработки осуществлялось по рекомендуемым методикам. Использование их дает сокращение консервируемых запасов по сравнению с существующими методами в 1,5-3 раза.

Проектирование технологии подземной доработки запасов за предельным контуром Синайского карьера производилось Унипромедью. Предпроектные проработки в части вскрытия, выбора систем разра-

ботки, обоснования параметров вентиляция, водоотлива в основном выполнены при участии л под руководством автора.

В целях сокращения срока строительства Сзбайскэго подземного рудника рекомендовано использовать .для проходки горизонтов выработанное пространство карьера и существующие дренажные выработки, для чего пройти транспортные штольни в западном борту карьера. Эти предложения были приняты к внедрению и реализованы.

Для технического проекта Сябайского подземного рудника было рассмотрено несколько технологических схем отработки приконтур-ных запасов: с обрушением бортов, с поддержанием его путем оставления барьерного целика, с поддержанием борта карьера твердеющей закладкой в сочетании с пригрузкой скальными породам.

Отработка приграничных запасов с наименьшими затратами обеспечивается при выемке камерными вариантами систем разработки с твердеющей закладкой. Этот вариант предложен в качестве основного. Слоевые рекомендованы для выемки участков с пониженной устойчивостью, а также руд, непосредственно прилегающих к контуру карьера. По результатам исследований составлены и реализуются технические проекты подземного рудника в целом и .для переходной зоны в северном борту, регламент для запасов по другим участкам месторождения .

Для регламента по доработке запасов за предельным контуром карьера "Молодежный" обосновывались геометрические параметры систем разработки, прочность искусственного массива и порядок отработки. Экономическая оценка предлагаемой технологии показала,что высокая ценность добываемой руды в совокупности с предлагаемыми техническим решениями обеспечивает эффективность подземной доработки месторождения "Молодежное".

Совместно с ИГД МЧМ (Екатеринбург) проанализирована ситуация на момент завершения открытых работ по Сарбайскому, Соколовскому, Оленегорскому месторождениям, рудникам "Железный" Ковдорского, "Центральный" Костомукшского и Полтавского ГОКов, определены и классифицированы запасы за предельны!,ш контурами карьеров, проведены оценка геомехандческях и геоморфологических особенностей месторождений и расчет параметров технологических схем отработка запасов переходных зон (мощность барьерных целиков, пролеты обнажений, прочность закладки) по полученным зависимостям.

Для технико-экономической оценки возможности применения систем разработки с твердеющей закладкой в прикарьерной зоне были

подобраны составы закладочных смесей на основе цемента и ишаков, технологические схемы приготовления, рассчитана себестоимость закладочных работ. Использование в качестве материалов для заклад-ют вскрышных пород, отходов магнитной сепарации делает технологические схемы выемки с закладкой конкурентно способными с вариантами отработки с обрушешхем руды и вмещающих пород.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы создания эффективных технологий добычи руд системами с закладкой в прикарьерных зонах месторождений, отрабатываемых последовательным открыто-подземным способом, что позволяет повысить полноту извлечения и качество добываемых руд, рентабельность отработки месторождений, избежать консервации значительных запасов и обеспечить необходимую устойчивость массивов подрабатываемых пород.

Основные научные и практические результаты исследований состоят в следующем:

1. На основе анализа сырьевой базы показано, что запасы руд приграничных зон при последовательной открыто-подземной разработке отличаются повышенной сложностью условий их выемки, заключающиеся в особенностях морфологического строения дорабатываемых запасов, своеобразии их силовых полей и значительной нарушенности пород от техногенного воздействия. Массивы прикарьерных зон на момент завершения открытых и начало подземных работ могут находи? ться в состоянии близком к предельному. Несмотря на это наблюдается стремление к их первоочередной выемке из-за значительности запасов этих зон, их относительной доступности и возможности использования карьера и его коммуникаций для подземной добычи этих РУД-

2. Установлено, что время отработки прикарьерных зон приход дится на период перехода от открытого к подземному способу доработки, который характеризуется наличием в зоне влияния карьера двух способов разработки, ввиду необходимости развития подземных и завершения открытых горных работ. Продолжительность этих работ колеблется от 2 до 10 лет и отличается высокой концентрацией открытых горных работ, необходимостью организации подземных работ в приграничной зоне таким образом, чтобы они не приводили к заметным осложнениям в работе карьера.

3. Комплексом натурных и лабораторных исследований определены деформационно-прочностные характеристики и геолого-стпуктурные особенности массивов переходных зон исследуемых месторождений, оценено ослабляющее влияние карьерных и подземных выработок. Установлен немонотонный характер распределения механических характеристик в приоткосном массиве. Степень ослабления в ближайшей к откосу зоне разупрочнения составила для прочности на сжатие (0,75-0,46), растяжение (0,75-0,6), сдвиг (0,56-0,37). Прогнозные значения коэффициента ослабления от подземных выработок без учета действия взрыва - 0,8-0,95.

Реконструкцией полей напряжений, инструментальными замерами на изучаемых месторождениях выявлено существование сил тектонической природы (5,5-6 МПа), наличие в прикарьепном массиве зон разгрузки и концентрации горизонтальных напряжений. Установлено, определяющее влияние на (формирование полей напряжений в прикарье-ных зонах тектонических сил, свойств и строения пород, геометрических параметров карьеров. В донной части карьеров, и особенно при большой их глубине и наличии тектонического силового поля, возможно формирование зон повышенных горизонтальных напряжений (25-35 МПа), опасных по динамическим формам проявлений горного давления. Вертикальная компонента в прикарьерном массиве превышает расчетное значение напряжений по весу столба пород за счет при-грузки от деформирующихся бортов карьера на 20-30^'.

4. Для прибортовой зоны выявлены закономерности распределения напряжений в несущих элементах систем подземной разработка! и их зависимость от основных влияющих факторов (параметры карьера, геометрические размеры систем разработки, характеристика исходных силовых полей). Предложены эмпирические зависимости для прогнозной оценки величин напряжений. Установлено, что благоприятным с точки зрения управления горным давлением является развитие подземных работ от массива к откосу, это повышает устойчивость барьерного целика за счет снижения нагрузок от деформирующихся откосов, сокращения сроков стояния.

Экспериментально доказано, что пригрузка подрабатываемых бортов скальными породами позволяет в 2-3 раза снизить нормативную прочность закладки в переходной зоне.

5. Положение поверхности скольжения в борту карьера контролируется местом размещения подземных выработок и величиной текто-

штческлх напряжений. С ростом тектонической составляющей происходит смещение потенциальной поверхности сдвига в сторону карьера, а коэффициент запаса устойчивости борта карьера снижается. Заполнение выработанного пространства твердеющей закладкой уменьшает влияние подземных выработок на положение поверхности скольжения.

6. Расположение подготовительных выработок в переходной зоне может приводить к асимметричному формоизменению выработок, образованию вывалов в нетрадиционных местах; в выработках параллельных поверхности борта происходит смещение замка свода естественного равновесия к противоположному от откоса сопряжению стенки и кровли, а в выработках ниже уровня карьера зоны нарушений приурочены к верхней части стенок. Целесообразной формой сечений выработок, расположенных в прикарьерной зоне, является эллиптическая с углом наклона большой оси, совпадающей с направлением главного напряжения, что обеспечивает снижение максимальных касательных напряжений в местах сопряжений в 1,5-2 раза, а растягивающих в кровле - практически до нуля.

7. На основании выполненных исследований разработаны инженерные методы расчета устойчивых параметров несущих элементов систем разработки с закладкой в прикарьерной зоне, обеспечивающих сохранность подрабатываемых бортов карьеров.

8. Способы отработки прикарьерных зон целесообразно разделять на три класса, используя в качестве основного классификационного признака состояние подрабатываемого прикарьерного массива, в качестве дополнительных - способы управления состоянием бортов карьеров, изоляции очистного пространства, степень совмещения способов разработки во времени, масштабы использования элементов технологии открытых работ и пространства карьера, варианты систем разработки.

Технологические схемы выемки прикарьерных запасов имеют ряд специфических особенностей, которые определяют основные принципы проектирования рациональных технологий для переходных зон на месторождениях, отрабатываемых системами с закладкой. Они состоят в обосновании целесообразности заблаговременной, опережающей отработки этих запасов, ограничении интенсивности выемки характером деформирования подрабатываемых массивов бортов, чтобы избежать нерегулируемого их обрушения, сохранении дренажных систем открытого рудника, создании изолирующих от атмосферы карьера устройств и применении нагнетательного способа проветривания, использовании карьерного пространства и элементов открытых работ для целей под-

земных, согласовании календарных танов доработки карьерных запасов и развиты» подземных горных работ в приграничном зоне. Предложены способы отработки пчикаръерных зон, четыре ;:л которых за'т.лекы авторскими свидетельствами на изобретение.

9. Основные научные выводы и рекомендации диссертационной работы реализованы в технических проектах Учалинского, Сибайско-го, Молодежного медноколчеданньтх и Кыштымского гранулированного кварца рудниках, предназначенных для эксплуатации запасов за предельными контурами одноименных карьеров. Рекомендации по порядку и способам отработки, параметрам технологических схем выемки обеспечивают сохранность подрабатываемых бортов, прилегающей территории и объектов на ней, снижение потерь руды в разделительных пеликах на 20-30», прочности закладки в 1,5-2 раза, сокращение сроков ввода в эксплуатацию приграничных запасов на 1,0-1,5 года. Суммарный экономический эс!фект от внедрения результатов исследований на этих предприятиях составил более 2,88 млн.руб в ценах 1984-1988 гг. С использованием методических разработок составлена технологическая инструкция по сооружена искусственного разделительного нелика на Учалин-ском карьере.

Основное содержание опубликовано в работах

1. Калмыков В.Н., Меркулов А.Н. Расчет междукамерных целиков. - Свердловск- УПИ. - 1977.

2. Цьтгалов М.Н., Калмыков В.Н. Особенности отработки приконтурных запасов карьера под охраняемой территорией //Подземная разработка мощных рудных месторождений: Мечвуз.сб.научн. тр. / МШИ - Свердловск: УПИ. - 1982. - С.3-8.

3. Калмыков В.Н., Иваниов Л.М. Допустимая прочность закладки для обеспечения устойчивости бортов при доработке Учалинского карьера подземным способом // Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз.сб.научн.тр. / МГМИ - Свердловск: УПИ. -1982. - С.85-88.

4. Калмыков В.Н., Рнльнихова М.В. Напряженное состояние при-

35

бортового массива подработанного подземными выработками //Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз.сб.научн. тр.ДПШ-Свердловск: ТЛИ. - 1984. - С.59-65.

5. Калмыков В.Н., Рыльникова М.В., Кутлубаев И.М. Расчет параметров элементов систем подземной разработки законтурных запасов в борту карьера //Подземная разработка мощных рудных месторождений: !Ле::дзуз. сб.научн. тр./ЛПДП-Свердловск: УШ. - 1984. -

С. 17-23.

6. Цыгалов 1,1.Н., Калмыков В.Н., Рыльникова Ц.В. Геомеханическое обоснование параметров открыто-подземной доработки законтурных запасов ценных руд в борту карьера //В сб.научн.тр.:Геомеха-ническое обоснование технологических решений при разработке руд подземным способом. - Новосибирск: ИГД СО СССР. - 1984. - С.99-104.

7. Цыгалов М.Н., Калмыков В.Н., Рыльникова М.В. Перспективы развития безотходной технологии при комбинированном способе разработки //В сб.научн.тр.: Совершенствование методов и средств подземной добычи руд при комплексном освоении месторождений. -М.: МГИ. - 1985. - С.85-91.

8. Калмыков В.Н., Иванцов Л.М. Особенности выемки законтурных запасов карьеров //Перспективы развития технологии подземной разработки рудных месторождений. - М.: МГИ. - 1985. - С.34-35.

9. Цыгалов М.Н., Калмыков В.Н., Рыльникова М.В. Геомеханические и технологические особенности отработки руд в охранных целиках бортов карьера /А - И. .- Горный журнал. - 1986. - № 5.

10. Калмыков В.Н., Рыльникова М.В., 1арин А.П. Особенности физико-механических характеристик и напряженного состояния горных пород в приконтурной зоне карьера //Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз.сб.научн.тр. ЛПЖ-Свердловск: УПИ. - 1987. - С.22-28.

11. Калмыков В.Н. О возможности использования карьерного пространства при строительстве подземного рудника //Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз .сб.научн.тр. ДГГШ-Свердловск: УПИ. - 1988. - С.45-50.

12. Калмыков В.Н., Рыльникова М.В., Демин С.Б., Мартынов Г.П. Особенности ^армирования полей напряжений приконтурного массива при открыто-подземной разработке //В сб.научн.тр.: Развитие методов проектирования рудников при комплексном освоении месторождения. - ГЛ.: ИПКОИ АН СССР. - 1989. - С.171-182.

13. Закладочные работы в шахтах: Справочник /Под ред.Д.М. Бронникова, М.Н.Цыгалова. - М.:Нсдра. - 1989. - 400 с.

14. Волков Ю.В., Калмыков В.Н., Мпшешш А.Н. и др. Особенности комбинированной отработки уральских медноколчеданных месторождений //В сб.научн.тр.: Комплексное освоение минерально-сырьевых ресурсов. - !,!.: ИПШ АН СССР. - 1989. - С.171-181.

15. Калмыков В.Н., Рыльникова М.В., Домин С.Б.,Охотников A.B. Особенности технологических схем отработки запасов приконтурных зон з условиях действия тектонических силовых полей //УШ Юбилейная Уральская научн.-техн.конф. по системам подземной разработки руд цветных металлов. - Свердловск: Унипромедь. - 1989. - С.6-8.

16. Калмыков В.Н., Рыльникова М.В., Демин С.Б. Исследование закономерностей нагружения элементов систем открыто-подземной разработки //В сб.научн.тр.: Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных подземных рудников. - М.: МГИ. - 1990. - С.15.

17. Калмыков В.Н., Рыльникова М.В., Демин С.Б. Особенности геомеханических процессов и технологических решений при отработке законтурных запасов в тектонически напряженных зонах //В сб. научн.тр.: Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных подземных рудников; -М.: МГИ.- • 1990. - С.104.

18, Калмыков В.Н., Рыльникова М.В. Оценка факторов, определяющих характер проявлений горного давления в переходной зоне // В сб.научн.тр.: Совершенствование комплексной (открыто-подземаой) разработки рудных месторождений. - Кривой Рог: КГРИ. - 1990. -С.107-108.

19. Калмыков В.Н., Рыльникова М.В. Исследование напряженного состояния массива пород при открыто-подземной разработке Уча-линского и Сибайского месторождений. Экстремальные исследования напряженно-деформированного состояния массива шахт и рудников. -Новосибирск: ИГД СО АН СССР. - 1990. - С.71-77.

20. Рыльникова М.В., Калмыков В.Н., Симонов М.И., Гурьев А.П. Оценка напряженного состояния массива пород Учалинского месторождения //Подземная разработка мощных рудных месторождений: Маж-вуз.сб.научн.тр. /МШИ-Свердловск: УПИ. - 1990. - С.74-81.

21. Калмыков В.Н., Рыльникова М.В., Демин С.Б. Обоснование рациональной технологии вскрытия и отработки законтурных запасов карьера //В сб.научн.тр.: Ресурсосберегающие технологии при

подземной отработке полезных ископаемых Севера. - Якутск: ЯНЦ СО АН СССР. - 1990. - С.ICE-106.

22. Калмыков В.Н., Демин С.Б. Способы снижения отрицательного воздействия карьерного пространства на подземные работы в переходной зоне //Подземная разработка мощных рудных месторождений: Мажвуз.сб.научн .тр .уЪПШ-Свердловск: УПИ. - 1990. - С.36-41.

23. Калмыков В.Н., Рыльникова М.В., Демин С.Б. и др. Обоснование устойчивой форглы сечения подземных выработок в яриконтур-ной зоне карьера //Йзв.вузов. Горный журнал. - 1990. - J» 8. -

С.23-27.

24. Калмыков В.Н.;К расчету барьерных целиков при последовательной открыто-подземной разработке месторождений //В сб.научн. тр.: Подземная разработка мощных рудных месторождений. - Магнитогорск: МВД.•- 1991. - С.21-29.

25. Калмыков В.Н., Рыльникова М.В., Соколиков А.Н. Обоснование устойчивых размеров барьерного целика в борту Сибайского кар] ера //Йзв.вузов. Горный журнал. - 1992. - I 2. - С.59-65.

26. Слащилия И.Т., Калмыков В.Н., Болкисев Вл.С. Вопросы отработки дриконтуряых запасов железорудных карьеров системами разработки с закладкой //Разработка месторождений системами с закла) кой выработанного пространства. Опыт и перспективы. - Екатеринбург: ИПК спец.метал. - Г992. - С.7-9.

27. Калмыков В.Н. Принципы проектирования технологических cxi отработки запасов приграничных зон при переходе с открытого на подземный способ разработки //Состояние и перспективы развития научно-технического потенциала Южно-Уральского региона. - Магнитогорск: МШИ. - 1994. - С.91-93.

28. Калмыков В.Н. Классификация способов отработки приконтур ных запасов //Подземная разработка мощных рудных месторождений: Межвуз.сб.научн.тр. ДОЖ-Екатариябург: УШ. - 1993. - С.5-8.

29. Цыгалов H.H., Галиакпаров H.A., Имангалиев А.И., Калмыков В.Н., Рыльникова М.В. A.C. П76078 (СССР). Способ комбиниро ванной разработки полезных ископаемых в приконтурной зоне карьера. - Опубл. в Б.И., И 32. - 1985.

30. Цыгалов М.Н., Васильев В.М., Калмыков В.Н., Рыльникова M.B. A.C. I05I280 (СССР). Способ разработки полезных ископаемых Опубл. в Б.И., а 40. - 1983.

31. Цыгалов М.Н., Булатов В.Ф., Калмыков В.Н., Рыльникова M.B. A.C. II04274 (СССР). Способ разработки законтурных запасов