автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Обоснование рациональных способов охраны сооружений на сдвигающемся массиве при повторной разработке пологих рудных залежей

л/

пд

На правах рукописи УДК 622.834:837

КИМ Владимир Сергеевич

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ СПОСОБОВ ОХРАНЫ СООРУЖЕНИЙ НА СДВИГАЮЩЕМСЯ МАССИВЕ ПРИ ПОВТОРНОЙ РАЗРАБОТКЕ ПОЛОГИХ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ

Специальность 05.15.01 - Маркшейдерия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

Работа выполнена в АО "Жезказганцветмет" н Московской государственной геологоразведочной академии

Научный руководитель: доктор технических наук Макаров А.Б. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Иофис М.А кандидат технических наук, доцент Васильев А.А.

Ведущее предприятие - институт ВИОГЕМ

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного открытого университета.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять в адрес совета.

Защита состоится

часов на заседании

Автореферат разослан

1996г.

Ученый секретарь диссертационного сог доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Жезказганское месторождение п течении 70 лет разрабатывается камерно-стотбовоп системой, при которой сдвижение земной поверхности предотвращается горными мерами охраны - оставлением рудных целиков. Это позволяло размещать на подрабатываемых рудоносных площадях любые объекты инфраструктуры (жилые поселки, промышленные объекты, все виды транспортных и инженерных коммуникаций).

К началу 90-х годов основные запасы центрального рудного поля месторождения были отработаны. Ввод новых мощностей по добыче руды задерживается отставанием капитального строительства. Восполнение выбывающих мощностей в данных условиях возможно лишь за счет повторной разработки с возвратом руды из ранее оставленных целиков. Запасы, перспективные для повторной разработки, оцениваются в 131,9 млн.т (18% от погашенных запасов). При среднем содержании металла в целиках 1,61% повторная разработка может дополнительно дать 2,1 млн.т металла.

Начало повторной разработки привело к качественным изменениям ситуации: в процесс сдвижения начали вовлекаться все большие площади. Растет количество объектов, попадающих в зоны сдвижения, поэтому в настоящее время одш!м из наиболее актуальных стал вопрос о способах охраны сооружений на стадии повторной разработки месторождешм.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: обеспечение максимальной экономической эффективности повторной разработки за счет минимизации затрат на охрану сооружений на сдвигающемся массиве.

ИДЕЯ РАБОТЫ: минимум затрат на охрану сооружений достигается путем максимально широкого перехода от горных к конструктивным методам охраны сооружений па сдвигающемся массиве.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ:

- определение условий образования провалов на земной поверхности;

- разработка методики расчета сдвижения земной поверхности на участках, где не происходит образования провалов;

- обоснование эффективных на стадии повторной разработки способов охраны сооружений.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ: анализ литературы, прямые маркшейдерские наблюдения за развитием процесса сдвижения, обработка результатов натурных наблюдений за параметрами процесса сдвижений методами многомерной математической статистики, лабораторные эксперименты и аналитические исследования.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ПРЕДСТАВЛЕННЫЕ К ЗАЩИТЕ:

- коэффициент разрыхления, определяющий условия образования провалов на земной поверхности, является функцией от свойств и геометрии обрушающейся толщи пород (глубины, эквивалентного пролета, выемочной мощности залежи), отражающей уменьшение разрыхлешы обрушенных пород по гиперболическому закону с увеличением пролета выработанного пространства за счет посадки налегающей толщи все более крупными блоками.

- в обратной степенной зависимости величины максимального оседания земной поверхности от соотношения глубины и эквивалентного пролета зоны обрушения показатель степени определяется породами с минимальными упругими и прочностными свойствами, наиболее широко представленными в геологическом разрезе.

- распределение горизонтальных сдвижений в полумульдах связано с оссданшши уравнением эллипса, что позволяет рассчитывать горизонтальные смещения и деформации земной поверхности по результатам натурных наблюдений за оседанием; из горизонтальных деформаций максимальными по абсолютной величине являются деформации сжатия вблизи центра мульды сдвижения.

зона, в которой наблюдаются опасные горизонтальные деформации сжатия, практически совпадает по своему расположению в мульде сдвижения с зоной опасных наклонов и составляет 20% от общей площади мульды, что позволяет использовать для охраны сооружетш ремонтно-восстановительные меры, как один из наиболее эффективных по уровню необходимых затрат способов охраны.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ И ВЫВОДОВ достигнута представительностью исходных данных, полученных в результате многолетних натурных наблюдений, достаточностью и полнотой их описания предлагаемыми

методиками расчета, сходимостью расчетных и наблюдаемых параметров, практическим опытом применения рекомендуемых способов охраны.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ состоит в том, что

установлены новые зависимости коэффициента разрыхления ог эквивалентного пролета зоны обрушения и выемочной мощности погашаемого выработанного пространства;

- предложена новая форма связи функций распределения оседаний и горизонтальных смещений в полумульдах сдвижения;

- впервые для условшЧ Жезказганского месторождения получены значения типовых функций, определяющих величины оседаний, наклонов, горизонтальных смещений и деформаций в полумульдах сдвижения;

- определена зависимость коэффициента усадки породной закладки от глубины ее применения; показана равнозначность (по эффективности ограничения смещений налегающей толщи) дробленой и крупнокусковатой породной закладки.

НАУЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается в обосновании возможности применения методики расчета сдвижения земной поверхности, разработанной ВНИМИ для угольных месторождении, в особо сложных горно-геолопгческих условиях повторной разработки пологих рудных залежей, которые ранее эксплуатировались камерно-столбовой системой.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ состоит в разработке методики расчета сдвижения земной поверхности при повторной разработке Жезказганского месторождения, определении условий, в которых образуются провалы или возникают опасные деформаций земной поверхности, обосновании высокой экономической эффективности конструктивных мер охран?,I сооружений на стадии повторной разработки месторождения.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований использованы в новой редакции Временных правил охраны сооружений от вредного влияния подземных разработок на рудниках Жезказганского месторождения, внедряются в практику при выборе мер охраны жилых поселков, инженерных коммуникаций.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации были представлены на II всероссийской конференции "Управление напряженно-

деформированным состоянием массива скальных пород при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений" (Екатеринбург, 1996г.), на научных конференциях МГГА (Москва, 1995г., 1996г.).

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертации опубликованы в 7 работах.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложена на 159 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 112 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ОПЫТ ПРОГНОЗА ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ И ОХРАНЫ СООРУЖЕНИЙ НА СДВИГАЮЩЕМСЯ МАССИВЕ

Современные представления о процессе сдвижения горных пород сформировались, благодаря исследованиям многих поколений ученых. Существенный вклад в развитие науки о сдвижении внесли Авершин С.Г., Акимов А.Г., Бахурин И.М., Громов В.В., Зеленцов С.Н., Земисев В.Н., Иофис М.А., Казаковский Д.А., Казикаев Д.М., Каигншсов Ю.А., Колбенков С.П., Коротков М.В., Кратч Г., Крушатин Р.Ф., Кузнецов Г.Н., Кузнецов М.А., Кузьмин В.И., Лисица И.Г., Лигвинишин Е., Медянцев А.Н., Муллер P.A., Павлов А.Н., Петухов И.А., Саламон М.Д.Г., Сашурин А.Д., Смирнов А.Ф., Троицкий B.C., Шадрин А.Г. и многие другие. Формы и параметры процесса сдвижения горных пород в условиях Жезказганского месторождения изучались Борщ-Компонийцсм В.И., Кузнецовым М.А., Макаровым А.Б., Петуховым И.А., Тяпиным В.Н., Файделем Э.В., Фреем Л.И., Юном Р.Б. Во Временных правилах охраны..., выпущенных для Жезказганского месторождения в 1987 г., были определены угловые параметры сдвижения; методика расчета сдвижения и деформаций земной поверхности отсутствовала, что было оправдано на стадии первичной разработки месторождения камерно-столбовой системой, при которой сдвижение предотвращалось жестким поддержанием налегающей толщи рудными целиками.

Переход к повторной разработке Жезказганского месторождения поставил задачу поиска способов охраны сооружений на сдвигающемся массиве. Опыт

разработки угольных месторождений, ряда рудников Кривого Рога, Учалинского, Сибайского, Тырныаузского месторождении, Лениногорского ПМК, Зыряновского и Гайского рудников показывает, что конструктивные меры защиты объектов в зонах активных сдвижений облилют значительными возможностями, позволяющими продолжить их безопасную эксплуатацию на сдвигающемся массиве. Для распространения накопленного опыта в условиях Жезказганского месторождения необходимо создать методики расчета сдвижения и деформаций земной поверхности при повторной разработке пологих рудных залежей.

2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ И ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ ПРИ ПОВТОРНОЙ РАЗРАБОТКЕ ПОЛОГИХ РУДНЫХ

ЗАЛЕЖЕЙ

2.1. Условия образования провалов на земной поверхности

В зонах, где в ходе повторной разработки на земной поверхности образуются провалы, эксплуатация объектов и сооружений невозможна. Данные площади могут бьггь использованы для размещения на них объектов только после завершения активной стадии процесса сдвижения и рекультивации. Для образования провала необходимо чтобы

- неподдерживаемый рудными целиками пролет налегающей толщи превысил предельный и произошла посадка налегающей толщи до поверхности;

- суммарная выемочная мощность залежей была достаточно большой и не произошла забутовка выработанного пространства обрушенными породами.

В работах Борщ-Компонийца В.И., Макарова А.Б. анализом параметров массовых обрушений показано, что в условиях Жезказганского месторождения эмпирическим критерием полной посадки налегающей толщи, при которой исключаются ее зависания, является /э > 1„р = //, где 1Э , 1пр - эквивалентный и предельный пролеты участков, не поддерживаемых целиками, Н - глубина разработки. С учетом последних данных практики методом наименьших квадратов нами получен новый эмпирический критерий обрушения налегающей толщи до поверхности. С коэффициентом корреляции 0,91 и

! м совокупный

Рис. 1. Эмпринеский критерий обрушения налегающей толщи до поверхности

среднеквадратичным отклонением 30 м опыт всех обрушений описывается регрессией:

1пр= 1,2 Н- 13. (1) Для регрессии (1) построен доверительный интервал (рис.1), в пределах которого вероятность

завершения процесса

обрушения посадкой

налегающей толщи до поверхности уменьшается с 99% на верхней границе до 1% на нижней, обрушенными породами, а

Интенсивность заполнения пустот следовательно и возможность выхода обрушения на поверхность и образование провала, контролируется коэффициентом разрыхления. Для его определения проведены прямые замеры глубин существующих провалов кпр на земной поверхности, по результатам которых обратный расчет коэффициента разрыхления кр производился по формуле:

(т-Кр)/Н+1,

(2)

где т - выемочная мощность. Полученные расчетом значения ¡^

колеблются в пределах 1,05-1,26, подчиняясь зависимости (рис.2): 1,2

кр = 1,03 + 0,1 Н/13, (3)

полученной методом наименьших квадратов с коэффициентом корреляции 0,99 и означающей, что с ростом пролета неподдерживаемой целиками кровли ее Рис.2. Зависимость коэффициента обрушение происходит все большими Р^Р^ения от соотношения УН

1.1

1,/Н

блоками с меньшим разрыхлением пород. На участках, где одновременно выполняются два условия: I, >1„р и // < т/(кр - 1) в ходе повторной разработки будут образовываться провалы. Объекты, расположенные на опасных участках, подлежат ликвидации или переносу на площади, где хотя бы одно из условии не выполняется.

2.2. Прогноз максимального оседания земной поверхности.

Для участков, где после посадки толщи и забутовки пустот обрушенными породами провал на земной поверхности не образуется (II > т/(кр - 1) и /э > 1пр ), важное значение имеет прогноз максимального оседания земной поверхности. Анализ результатов, накопленных на Жезказганском месторождении за 40 лет наблюдений, показал ярко выраженную зависимость максимальных оседаний г/т от пролета зоны обрушения. Математической моделью, пригодной для прогноза т;т в широком диапазоне горно-геологических условий, является обратная степенная зависимость от соотношения Н/1Э, предложенная Шадриным А.Г. На рис.3 результаты натурных наблюдешш обозначены точками в нормированных координатах ^„/т и И/1?. Учитывая, что прогноз максимальных оседаний необходимым для выбора мер охраны сооружений на поверхности, практический интерес имеет верхняя граница распределения наблюдаемых значений максимального оседания. С доверительной вероятностью 90% верхняя граница определяется зависимостью:

Показатель степени в (4) зависит от коэффициента крепости пород / Массив Жезказганского месторождения представлен перемежающимися слоями серых и красных песчаников, алевролитов и арпшпггов, различающихся по жесткости и прочности. Верхняя граница распределения

наблюдаемых значений максимальных оседаний описывается функцией влияния (4) с показателем 4,5, что соответствует //2 алевролитов и аргиллитов, т.е. величины

0.5

1 2 3 * 56789

Рис.3. Зависимость величины максимального оседания от эквивалентного пролета

максимальных оседаний задаются породами с минимальными упругими и прочностными свойствами, наиболее широко представленными в геологическом разрезе.

2.3. Форма мульды сдвижения

При пологом залегании рудных тел Жезказганского месторождения (углы падения 5-10°) различие сдвижений в полумульдах по простиранию, падению и восстанию изучалось аппаратом математической статистики. В анализе использованы 735 наблюдений, полученные по 16 профильным линиям за последние 30 лет. Исходная статистика разбита на группы по принадлежности к одной из 3 полумульд сдвижения. Гипотеза о существовании статистически значимого различия между оседаниями в группах проверялась многомерным дисперсионным анализом и наблюдаемой статистикой не подтвердилась с уровнем значимости 0,05. Полученный результат означает: оседания и наклоны земной поверхности во всех полумульдах описываются едиными функциями. Распределение наблюдаемых значений $(%)= 1л/'1т,, где г — х/Ь; х - текущая координата точки в полумульде сдвижения от точки максимального оседания; Ь - длина полумульды сдвижения, показано на рис.4. Численные значения

функции Яф, полученные

осреднением по текущим значениям г приведены в табл. 1. Данный результат получен для условий Жезказганского месторождения

впервые. По сравнению с угольными месторождениями оседание земной поверхности в данных условиях имеет более резкий характер. Это объясняется большой прочностью пород налегающей толщи и их способностью сопротивляться

обрушению при больших пролетах выработанного пространства.

Значения типовой функции ^'(т), определяющей наклоны земной поверхности, получено из функции численным дифференцированием

о.з •

0,7 ' 0.6 ' 0,5 ■ 0,4 0,3 0,2 0,1

С. * •

0.) 0,1 0,2 0,3 0.4 0,5 0,6 0,7 0,8 1,0

Рис.4. Распределение оседаний в полумульдах сдвижения

(табл.1). Специфика рудных месторождений, выражающаяся в более резком изменении оседаний, приводит к появлению значительно больших значении максимальных наклонов земной поверхности, превышающих аналогичные значения на угольных месторождениях более, чем в 2 раза. Экстремальные значения наклонов наблюдаются при I =0,1^0,2, т.е. вблизи цетрл мульды сдвижения. Это означает, что после полной посадки налегающей толщи деформации земной поверхности становятся сопоставимыми с допустимыми для сооружений на площади, составляющей 20% от общей площади муладьг сдвижения, т.е. масштабы возможных повреждений транспортных и инженерных коммуникаций не могут превышать 20% (в самых неблагоприятных условиях: при пересечении центра мульды) от их общей протяженности в контуре мульды сдвижения. Полученная оценка позволяет надеяться, что наблюдаемый на практике характер сдвижения предоставляет возможность использовать для охраны сооружений конструктивные и ремонтно-восстановителыше меры, как один из наиболее рациональных (по уровню необходимых затрат) способов охраны на стадии повторной разработки.

Функции типовых кривых на Жезказганском месторождении _Таблица 1

г ±т Пг)

0 1 0 0 0

0,050 0,965 1,75 0,74 -18,4

0,100 0,880 4,00 1,40 -12,0

0,150 0,720 4,55 1,80 -6,0

0,200 0,620 3,75 1,94 -2,8

0,250 0,520 2,60 1,998 -1,0

0,300 0,420 1,75 1,97 0,5

0,350 0,350 1,35 1,900 1,5

0,400 0,285 1,00 1,806 2,2

0,450 0,245 0,80 1,72 2,8

0,500 0,215 0,70 1,623 3,0

0,550 0,180 0,55 1,537 3,3

0,600 0,155 0,45 1,448 3,6

0,650 0,125 0,35 1,323 3,9

0,700 0,100 0,25 1,200 4,1

0,750 0,075 0,18 1,084 4,4

0,800 0,060 0,15 0,950 4,6

0,850 0,040 0,10 0,804 4,8

0,900 0,025 0,06 0,655 5,0

0,950 0,020 0,02 0,46 5,1

1,000 0 0 0 0

2.4. Расчет горизонтальных сдвижений и деформаций

Сложность расчета горизонтальных смещений земной поверхности в условиях Жезказанского месторождения состоит в том, что они инструментальными методами в натурных условиях не регистрируются. Поэтому единственно возможным путем их исследования является аналитический. Отсутствие исходной информации эвристического характера предопределяет использование концепции ВНИМИ в качестве методической основы.

Исследуя кинематику сдвижения массива, Шадрин А.Г. установил, что аналитическая зависимость между горизонтальной fx и вертикальной rjx компонентами смещения описывается уравнением эллипса. Если изменение оседаний земной поверхности в полумульдах описывать функцией S(z), то после преобразований связь между типовыми функциями вертикальных S(z) и горизонтальных F(z) смещений поверхности будет иметь вид:

F(z) = 4{S(z)[l - S(z)]}0-5 (5)

Формула (5) должна быть справедливой и на рудных, и на угольных месторождениях, поскольку никаких ограничений, кроме граничных, на вид функции S(z) не накладывается. Поэтому можно проверить справедливость (5), пользуясь табличными значениями S(z) для угольных месторождений и сопоставить расчетные значения F(z) по формуле (5) с табличными F(z), полученными ВНИМИ на основании обработки данных натурных наблюдений. Сходимость расчетных по (5) и экспериментальных (табличных) значений F(z) вполне удовлетворительна для практических целей. Подобное подтверждение новой зависимости (5) экспериментальными данными является доказательством правомерности найденного вида взаимосвязи типовых функций F(z) от S(z).

Полученный результат позволяет, опираясь на установленные ранее значения функции S(z) для условий Жезказганского месторождения, рассчитать по (5) значения функции F(z), определяющей горизонтальные смещения в полумульдах сдвижения (табл.1). Сопоставляя значения функции F(z) для условий Жезказганского месторождения с аналогичными для угольных месторождений, следует отметить ярко выраженную асимметрию со сдвигом максимума ближе к центру мульды. Это является еще одним проявлением более резкого характера процесса сдвижения на рудных месторождениях с крепкими породами налегающей толщи.

Горизонтальные деформации определяются первой производной от F(z), что выполнено нами численным дифференцированием по Z- (табл.1). Максимальными по абсолютной величине являются горизонтальные деформации сжатия вблизи центра мульды в интерпале z = 0,05^0,15. Это означает, что зона, в которой возникают опасные для наземных сооружений горизонтальные деформации сжатия, практически совпадает по своему расположению в мульде сдвижения с зоной опасных наклонов. Следовательно, оценки распространения зон опасных наклонов и горизонтальных деформаций по площади всей мульды сдвижения будут идентичными, т.е. порядка 0,3/э по ширине или 20% - по площади.

Второй локальный максимум горизонтальных деформаций наблюдается в области растяжения вблизи границы мульды сдвижения при z ~ 0,8+0,95. Однако абсолютные значения максимальных горизонтальных деформаций растяжения в 3,6 раза ниже, чем в зоне сжатия. Сравнивая три вида деформации: наклоны, горизонтальные деформации сжатия и растяжения по максимумам абсолютных значений, можно сделать вывод: экстремальными являются наклоны в районе центра мульды сдвижения, где max max сх = 1,6.

Полученные результаты предоставляют всю необходимую информацию, чтобы вести расчет сдвижешш и деформаций земной поверхности в условиях повторной разработки Жезказганского месторождения. Все основные положения методики расчета соответствуют общепринятым положениям ВНИМИ, однако предложенные способы расчета основных параметров: т]т, S(z), S'(z), F(z), F'(z) отличаются, учитывая тем самым специфику процесса сдвижения в массиве с крепкими породами налегающей толщи, нагруженными высокими тектоническими напряжениями.

2.5. Проверка методики в условиях Жезказганского месторождения

Для проверки работоспособности методики, адаптированной к конкретным условиям, произведен расчет сдвижений и деформаций земной поверхности и сравнение его с результатами натурных наблюдений и происшедшими повреждениями объектов в районе обрушения поля шх. 57, отрабатывавшей совместно с карьером Златоуст-Беловский залежи рудного района Златоуст.

Рис.5. Мульда сдвижения поверхности в поле шахты 57

Сдвижение поверхности, зарегистрированное профильными линиями, в виде изолиний оседания представлено на рис. 5. Сдвижение южного борта КЗБ произшло в виде оседания крупных блоков в недозаложенное выработанное пространство панелей. При этом полностью сохранилась геометрия осевшей части борта. По мере удаления от карьера на юго-восток оседания уменьшаются. На поверхности образовались уступы и трещины. Мульда сдвижения значительно распространилась на юго-восток и захватила жилой поселок.

Северная часть мульды сформирована наложением двух процессов: сдвижения борта карьера и сдвижения от подземных горных работ. Поэтому для проверки работоспособности предлагаемой методики расчета пригодны

результаты натурных наблюдений только в южной части мульды, где максимальное оседание земной поверхности составляет 3,5 м, длины полумульд; по простиранию - 460 м, по падению - 640 м, угол максимального сдвижения 0т= 79е. По лим исходным данным произведен расчет всех компонент сдвижения и деформации земной поверхности над южной частью зоны обрушения.

Результаты натурных наблюдений за оседанием поверхности и значения вычисленных по ним фактических наклонов по профильным линиям 115 и 60 показывают вполне удолетворителыгую сходимость расчетных и фактических деформаций, что подтверждает работоспособность предложенной методики расчета сдвижешш и деформаций земной поверхности.

Заключения о величинах горизонтальных деформаций растяжения-сжатия можно сделать, анализируя характер повреждений объектов на поверхности с учетом их местоположения п мульде сдвижения. Сводка наблюдавшихся повреждешш объектов и сопоставление допустимых для них и расчетных деформаций поверхности показывает, что натурные и расчетные данные хорошо согласуются между собой по местам, характеру и масштабам повреждений объектов на поверхности в результате превышения фактическими деформациями допустимых. Следовательно, предлагаемая методика расчета подтверждается и практическим опытом эксплуатации объектов на сдвигающемся массиве.

Если принять 5-10~3 за величину допустимых наклонов и горизонтальных деформаций для всех объектов, попавших в мульду сдвижения, то площадь, где расчетные величины деформаций земной поверхности превышают допустимые, составляет 20% от общей площади мульды сдвижения. Это подтверждает вывод о небольшой распространенности зон с опасными величинами деформаций. Следовательно, объем затрат на ремонтно-восстановительные работы на объектах, претерпевших опасные деформации, будет невелик. В первую очередь, это относится к линейным инженерным коммуникациям электро-, тепло-, водоснабжения, канализации, связи, транспорта.

3. РАЦИОНАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ

ПОВЕРХНОСТИ

Единственной альтернативной рудным целикам горной мерой охраны сооружений на стадии повторной разработки является закладка выработанного пространства. Учитывая объемы накопленных за весь предшествующий период разработки пустот и стоимость закладочных работ, данный способ приемлем только для охраны жилых поселков и ответственных коммуникаций. Наиболее перспективной из-за низкой стоимости является сухая породная закладка двух типов: дробленая (в процессе перепуска) с поверхности и крупнокусковатая с проходки. Деформационные свойства дробленой закладки определялись компрессионными испытаниями проб из панели 4 шахты 31-32, где под хилым поселком в выработанное пространство суммарной мощностью 35 м на глубине 180-200 м уложено 711,3 тыс.м3 породной закладки. По результатам лабораторных экспериментов зависимость коэффициента усадки В] от глубины ее применения Н с коэффициентом корреляции 0,99 описана регрессией:

В] = 1,1 И0-"5. (б)

Рекомендуемые для практических расчетов значения В; приведены в табл.2.

Жесткость крупнокусковатой породной закладки определена расчетным путем по методике Руппенейга К.В. Различие в жесткости массивов породной закладки различных типов (дробленой с поверхности и крупнокусковой с проходки) составляет всего 15%, что вряд ли может быть принято, как существенное. Следовательно, для целей управления процессом сдвижения дробленая и крупнокусковатая породная закладка представляются равнозначными по эффективности ограничения смещений налегающей толщи.

Коэффициент усадки породной закладки _Таблица 2

Глубина применения, м 50 100 150 200 250 300

Коэффициент усадки, % 6,5 9 10,5 12 13 14,5

Для охраны ответственных сооружений и объектов предлагается комбинированный способ поддержания толщи пород неизвлекаемыми рудными МКЦ и породной закладкой, сущность которого сводится к следующему. При извлечении БЦ в ходе повторной разработки за счет бокового подпора закладкой

процесс разрушения МКЦ после некоторых запредельных деформаций останавливается за счет восстановления их несущей способности в разрушенном состоянии в условиях всестороннего (объемного) сжатия, создаваемым компрессионным уплотнением закладки. При заполнении пустот сухой породой с коэффициентом усадки 10-15% и технологической недозакладкой порядка 1 м эффективная мощность залежи т3 составлялет 3% от выемочной мощности т. По геомеханическому эффекту такой способ эквивалентен полной закладке выработанного пространства твердеющими смесями прочностью 5-7 МПа, однако по стоимости - в 2,5 раза экономичней.

Ожидаемые значения максимальных деформаций земной поверхности при поддержании налегающей толщи разрушающимися МКЦ, упрочняемыми породной закладкой в различных горно-геологических условиях рассчитаны с учетом тэ = 0,03т по формулам:

max i (z = 0,15) = 0,03т[1 + (IT/IJ^r1 maxS'(z)/L, (7)

max e (z~ 0,05) = 0,004Sm[l + (H/IjVj-'- maxF'(z)/L. (8)

Расчетные зависимости максимумов ожидаемых

деформаций земной

поверхности для глубины 200 м показаны на рис. 6. При малых значениях кратности подработки Н/т<10, весьма распространенных в условиях Жезказганского меторождения (большие выемо'пгые

мощности на малых и средних глубинах), даже

комбинированное поддержание налегающей толщи целиками и породной закладкой, как горная мера охраны, при пролетах выработанного пространства, превышающих предельный, не обеспечивает сохранности объектов в центральных частях мульд сдвижений. Как было показано ранее, зоны опасных

Рис.6. Зависимости макашальных наклонов (сплошные линии) и макимальных горизоньальных деформаций (пунктирные) от эквивалентного пролета и выемочной мощности в %% от допустимых (510~3)

деформаций захватывают порядка 20% от общей площади мульд. Поэтому широкомасштабная повторная разработка Жезказганского месторождения невозможна без применения конструктивных мер охраны сооружений, в первую очередь - ремонтно-восстановительных работ.

4. РАЦИОНАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ ОХРАНЫ СООРУЖЕНИЙ ПРИ ПОВТОРНОЙ РАЗРАБОТКЕ ПОЛОГИХ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ Основным критерием для выбора рациональных способов охраны сооружений на сдвигающемся массиве является условие:

Пр=Д-3->тах, (9)

где Пр - прибыль; Д - доход от реализации конечной продукции повторной разработки; 3 - затраты на всех стадиях добычи и передела.

Условие (9) выполняется, если при равенстве всех прочих условий затраты, включающие также средства на охрану сооружений на сдвигающемся массиве, минимальны: 3 -> min. Полученные величины прибыли уменьшаются на сумму затрат, необходимых для проведения ремонтно-восстановительных работ на объектах, подвергшихся деформациям в результате сдвижения земной поверхности после извлечения рудных целиков. Объем этих затрат зависит от плотности застройки поверхности, ценности и значимости объектов, колеблется в широких пределах и не поддается исчислению в общем виде. Для каждого конкретного участка месторождения затраты на охрану сооружений определяются технико-экономическим расчетом.

Предложенные методики позволяют производить предрасчет сдвижений и деформаций земной поверхности, чтобы на площадях, где планируется повторная разработка, заранее выявить объекты, сохранность которых более не обеспечивается горными мерами охраны, и на стадии проекта решать вопросы их дальнейшей эксплуатации путем:

- восстановительных ремонтов инженерных коммуникаций после завершения процесса сдвижения на участках, где не происходит образования провалов;

- переноса линейных инженерных коммуникаций с участков, где прогнозируется образование провалов, на рекультивированные участки с закончившимся процессом сдвижения или на неподработанные площади;

- закладки породой выработанных пространств под жилыми поселками.

Предрасчет позволяет оценить масштабы ожидаемых повреждений и определить объемы ремонтно-восстановительных работ. Затраты на них должны относиться на себестоимость добычи руды. Наиболее уязвимыми для повреждения в процессе сдвижения земной поверхности являются линейные инженерные коммуникации всех видов из-за их распространенности на всей подработанной площади. На подработанной поверхности Жезказганского месторождения площадью около 60 км2 расположено 26 км железных дорог, 21 км автомобильных дорог, 58 км ЛЭП напряжением от 110 до 6 к В, 26 км водоводов различного сечения, в том числе 12 км - магистральных, 23 км теплотрасс, 13 км коллекторов, 17 км линий связи общей стоимостью свыше 2,1 млрд. тенге (30 млн. долларов США). Вопрос: каким образом целесообразно продолжать охра)гу сооружешш на стадии повторной разработки, имея представления о том, какие ожидаются деформации и повреждения, решается проектом на основе экономических расчетов. Критерием для выбора является минимум затрат на дополнительные меры охраны. В этом случае повторная разработка Жезказганского месторождения будет приносить максимальную прибыль.

Рекомендуемые способы охраны сооружений реализованы на практике на следующих участках месторождения:

1. В поле шахты "Покро" после обрушения района штреков 10-16, 26-27 на горизонтах 230-340 м в марте 1993 г. разрушенные коммуникации (ЛЭП-110 кВ, железная дорога к стволу шахты 55 длиной 80 м, три линии ЛЭП-35 кВ, водопровод диаметром 500 мм, две теплотрассы, кабельная линия связи) после восстановительного ремонта введены в эксплуатацию на сдвинувшемся массиве с максимальным оседанием поверхности до 2 м.

2. В поле шахты 57 после обрушения района Златоуст восстановлены ремонтом и продолжают эксплуатироваться в нормальном режиме на сдвтгувшемся массиве железная дорога к промплощадке шахты 55 и эскулинский водовод. Затраты на ремонт коммуникаций оказались в 187 раз меньше, чем на закладку выработанных пространств общим объемом 3,95 млн.м3, как горную меру охраны, которая могла бы предотвратить обрушение налегающей толщи.

3. В поле шахты 44 ведется перенос железной дороги, по которой осуществляется откатка руды с шахты 65 на обогатительные фабрики, с

ослабленного участка, где планируется произвести погашение выработанного пространства обрушением с образованием на земной поверхности провала, на участок, где обрушение налегающей толщи уже произошло в 1982 г. Проектом предусмотрены засыпка существующего провала отвальными породами и прокладка новой трассы железной дороги на рекультивированной площади.

4. В поле шахты 45 проектируется восстановление линии железной дороги к промплощадке шахты 65 над зоной обрушения панелей 7,8, которое произошло в 1995 г. с максимальным оседанием поверхности 3,6 м.

Методика расчета сдвижения и деформаций земной поверхности, разработанная в данной работе, включена в новую редакцию "Временных правил охраны сооружений от вредного влияния подземных разработок на рудниках Жезказганского месторождения", которые прошли апробацию в специализированных организациях и находятся в стадии утверждения в Комитете Госгортехнадзора РК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной задачи выбора рациональных способов охраны сооружений на сдвигающемся массиве путем перехода на стадии повторной разработки пологих рудных залежей от горных к конструктивным мерам охраны, целесообразность применения которых обоснована установленными закономерностями появления опасных деформаций, масштабов повреждений сооружений и затрат на ремонтно-восстановителыше работы от параметров участков повторной разработки, внедрение которых обеспечивает максимальную экономическую эффективность повторной разработки за счет минимизации затрат на охрану сооружений.

Основные научные результаты, практические выводы и рекомендации диссертации сводятся к следующему:

1. По опыту происшедших обрушений установлено, что условием посадки всей толщи пород до поверхности является превышение эквивалентным пролетом участка неподдерживаемого выработанного пространства глубины его залегания; в этих случаях боковой зажим уже не в состоянии предотвратить поперечный сдвиг толщи пород в выработанное пространство.

2. Для определения условий образования на земной поверхности провалов при общей посадке налегающей толщи установлена зависимость коэффициента разрыхления пород от соотношений эквивалентного пролета к глубине, отражающая тот факт, что с ростом пролета неподдерживаемой целиками кровли ее обрушение происходит все более крупными блоками с меньшим разрыхлением пород.

3. В качестве модели, определяющей величину максимальных оседаний в условиях Жезказганского месторождения, предложена обратная степенная зависимость от соотношения глубины залегания и эквивалентного пролета с показателем степени 4,5, связанным с упругими и прочностными свойствами наиболее слабых пород, домшшруклцих в структуре налегающей толщи, что позволяет прогнозировать максимальные значения оседаний.

4. Многомерным дисперсионным анализом результатов натурных наблюдений за оседанием земной поверхности на Жезказганском месторождении установлено, что при углах падения рудных залежей в пределах 0-10° формы полумульд сдвижения по падению, восстанию и простиранию с уровнем значимости 0,05 не обладают статистически значимыми различиями между собой, поэтому типовые функции компонент сдвижения и деформаций земной поверхности едины во всех трех полумульдах.

5. По сравнению с угольными месторождениями, процесс сдвижения на Жезказганском месторождении по площади мульды проявляется более резко, что приводит к появлению значительно больших величин максимальных наклонов земной поверхности, превышающих аналогичные значения на угольных месторождениях более, чем в 2 раза.

6. В условиях Жезказганского месторождения при полной посадке налегающей толщи распространенность зоны опасных сдвижений, где фактические деформации земной поверхности превышают допустимые, составляет порядка 20% от общей площади мульды, что позволяет использовать для охраны сооружений ремонтно-восстановительные меры, как один из наиболее эффективных по уровню необходимых затрат способов охраны.

7. Функция распределения горизонтальных сдвижений в полумульдах связана с функцией, определяющей оседание, уравнением эллипса, что позволяет

рассчитывать горизонтальные смещения и деформации земной поверхности пр результатам натурных наблюдений за оседанием.

8. Из горизонтальных деформаций максимальными по абсолютной величине являются деформации сжатия вблизи центра мульды сдвижения в интервале г = 0,05-0,15; они в 3,6 раза превышают деформации растяжения в перифирийных частях мульды при г = 0,8-0,95; зона, в которой наблюдаются опасные горизонтальные деформации сжатия, практически совпадает по своему расположению в мульде сдвижения с зоной опасных наклонов.

9. Предлагаемая методика расчета подтверждается результатами натурных наблюдений и практическим опытом эксплуатации объектов на сдвигающемся массиве; натурные и расчетные данные хорошо согласуются между собой по местам, характеру и масштабам повреждений объектов на поверхности в результате превышения фактическими деформациями допустимых.

10. В качестве эффективной горной меры охраны объектов на поверхности при повторной разработке барьерных целиков рекомендуется комбинированное поддержание налегающей толщи разрушающимися МКЦ в сочетании с сухой породной закладкой, которое по геомеханическому эффекту эквивалентно полной закладке выработанного пространства твердеющими смесями прочностью 5-7 МПа; эффективная мощность залежей при этом составляет 3% от выемочной мощности.

11. Коэффициент усадки породной закладки зависит от глубины ее применения; для целей управления процессом сдвижения дробленая (перепущенная с поверхности по скважинам большого диаметра) и крупнокусковатая (с проходки) породная закладка являются равнозначными по эффективности ограничения смещений налегающей толщи.

12. Повторная разработка Жезказганского месторождения невозможна без применения конструктивных мер охраны сооружений, в первую очередь -ремонтно-восстановительных работ, которые по затратам на них могут быть на два порядка эффективнее, чем горные меры охраны.

13. Рациональными способами охраны сооружений на стадии повторной разработки пологих рудных залежей являются:

на участках, где прогнозируется образование провалов: перенос ооружешш на рекультивированные площади, на которых процесс сдвижения авершился, или на неподработанные площади;

- на участках, где завершение процесса сдвижения прогнозируется в виде данного оседания: восстановительные ремонты коммуникаций;

- под жилыми поселками: комбинированное поддержание налегающей олщи сухой породной закладкой и неизвлекаемыми междукамерными целиками.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Комбинированное поддержание налегающей толщи разрушающимися целиками и исладкой при повторной разработке пологих рудных залежей под охраняемыми объектами з поверхности. //Маркшейдерский вестник, 1996, № 2 (соавтор Макаров Л.Б.).

2. Рациональные способы охраны сооружений на сдвигающемся массиве при повторной гзработке пологих рудных залежей с обрушением. // В кн.: "Управление напряженно-•формированным состоянием массива скальных пород при разработке месторождений ыезных ископаемых и строительстве подземных сооружений". - Екатеринбург, ИГД СО UI, 1996.

3. Методика расчета сдвижения земной поверхности при повторной разработке логих рудных залежей. // Маркшейдерский вестник, 1996, N9 4 (соавтор Макаров А.Б.).

4. Характер обрушений налегающей толщи при повторной разработке Жезказганского ■сторождения. // Горный журнал, 1996, № 11 (соавторы Юн Р.Б., Макаров А.Б., йцев О. II., Герасименко В. И., Сатов М.Ж.).

5. Оценка геомеханических последствий извлечения запасов междукамерных целиков.// юершенствование технологии горных работ на рудниках Жезказгана. - Жезказган, 1995 7авторы Юн Р.Б., Герасименко В.И., Малышев В.Н.).

6. Особенности повторной разработки и геомеханическая ситуация в зоне нообрушения панелей. // Совершенствование технологии горных работ на рудниках гзказгана. - Жезказган, 1995 (соавторы Юн Р.Б., Макаров А.Б., Герасименко ВН., иышев В. II.).

7. Сдвижение налегающей толщи и земной поверхности при отработке :дохранительных целиков стволов и промплощадок шахт. // Совершенствование хналогии горных работ на рудниках Жезказгана. - Жезказган, 1995.