автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Оценка уровня надежности системы "массив-закладка" при разработке крутопадающих залежей с твердеющей закладкой

N'5'п?' ~ Г

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА .

На правах рухоотся

АНАНИН АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ

УДК 622.273.217

ОЦЕНКА УРОВНЯ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ "МАССИВ-ЗАКЛАДКА" ПРИ РАЗРАБОТКЕ КРУТОПАДАШЩ ЗАЛЕЖЕЙ С ТВЕРДЕВДЕЙ ЗАКЛАДКОЙ

05.15.02 - Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Алма - Ата - 1Э92

Работа выполнена на арендном предприятии "ВНИИЦВЕТМЬТ

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Рогов Е.И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Крупник Л.А. кандидат технических наук, СНС Алдамйергенов У.А. Ведущее предприятие - Государственный институт по проектированию предприятий цветной металлургии -' "КАЗГИПРОЦВЕТМЕТ"

Защита состоится " 26 " и-пня 1992 года в 10 час. 00 мин, на заседании специализированного совета К 008.15.01 в Институте горного дела АН РК по адресу: 480046, г. Алма-Ата, проспект Абая, 191.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГД АН РК

Автореферат разослан "_"_ 1992 года . .

Ученый секретарь специализированного совета ^^ ^

докт.техн.наук ¿^¿¿^^ Петрович С.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение эффективности подзомной разработки, улучшение условий груда и безопасности работ, рациональное использование недр и сохранение земной поверхности, комплексное использование отходов производства невозможно без широкого применения систем разработки с закладкой выработанного пространства. Этим объясняется непрерывное увеличение удельного веса указанных систем практически во . всех странах мира. В Казахстане на подземных рудниках цветной металлургии объем добычи руды системами с закладкой планируется довести до 70 % от общего объема.

Применение этих систем зависит от обоснованности выбора прочностных и деформационных характеристик' закладочного материала. Установление чрезмерно высокой норлативной прочности и низких компрессионных свойств обеспечивает надежное поддержание вмещапцлх пород и гарантированную устойчивость обнакензй закладки, однако неоправданно удорожает разработку месторождения. Анализ показал недостаточную изученность вопроса установления нормативной прочности твердеющей закладки он стохастической природы распределения нагрузок на целики"и свойств природного и искусственного массивов.

Поэтому оптимизация нормативной прочности закладки на основе оценки уровня надежности системы "массив-закладка" является актуальной научной задачей.

Работа является итогом исследований автора, выполненных в соответствии о тематическими. планами ВНИЯцветмета по темам 6-84-005 "Определение нормативной прочности бетонной закладки

для условий отработки Рядцор-Сокольного Елосторождения'* погхор гос.рэг. 01840042712 я 6-87-001-03 "Опытпо-промшленнне попы-тания и внедрение новых норматгвных прочностей тзердепцой зюгаядкп со сниженным расходом цемента на рудниках Риддер-Сокольного месторождения" номер гос.рзг. 01890036853. Работы проводились в соответствия о отраслевой научно-технической проблемой МП-13Г "Изыскать и внедрить технические л технологические решения, обеспечивающие сшшение расхода цемента на закладочные работы", принятой приказом МЦМ СССР на 1S36-19S0 гг.

Иель паботц заключается в установления закономерностей изменения уровня надежности спстешя "массив-закладка" для оптимизация прочности искусственного-массива.

Идея работы состоит в использования критерия надежности для оптимизации нормативной прочности закладки, обеспечивающей повышение устойчивости обнажений закладки п поверхностных сооружений при их подработке»

Методика исследовании. В работе нрд.пнен комплексный метод исследований, включающий анализ информации по нотодгш определения нормативной прочности закладки, аналитические п экспериментальные исследования, статистическую обработку данных, метод пмптацЕОНного моделирования с использованием ЭВМ. Автором защищаются следутадяо положения: нормативную прочность твердеющей закладки для камерных систем разработки расочитывавт, исходя яз комплекса условий: охраны поверхности при ее подработке, устойчивости горизонталь« пых и вертикальных обнажений загладил и устойчивости бетонного столба закладка;

для условий отработки Ркддер-Сокольного месторождения за нормативный уровень надежности системы "массяв-захладка" следует принимать: 0.7 - по условия устойчивости горизонтальных обнажений эаклздкя, 0.85 - по условию устойчивости взртя-калышх обнажений, 0.9 - по услоп.тэ устойчивости бетонного столба закладхя;

для повышения уровня надсЕноетп сяс^е-ш "гпсстш-зя.::яодгля' необходимо оптимизировать упразляегаэ паргмэтрз, снятая щи атом их коэффициенты вариации.

Научная новизна проведенных г.сследовангЛ состоят: в разряботко метода оценки уровня нацозности системы "массив-закладка" для крутопадащях рудных салегзй, отлячм>-щегося учетом законов распределения л вероятностных характеристик параметров системы;

в установления закономерности изменения уровня нпдогаюстп системы "массив-закладка" от управляемых параметров, позвол.ю-щей повысить устойчивость обнажений искусственного массива при минимальных затратах;

в разработке комплексной методяяя длфФзрзнцировонного расчета нормативной прочности заклпдкя для прутопадагдил залежей, отлячащойся учетом условяй охрани поЕэрхпости, устойчя-востя горязонталышх я вертикальных обнаг-эняй сягладки, задают::.: уровнем надежности системы "нассяв-заклздгл".

Достоверность нптчннх положений, выводов я Рвгомордппг'К содержащихся в диссертация, обеспечивается применением общэ-признаншх схем ззаямодэйствия параметров в система "массив-закладка", болызпм объемом измерений свойств яскусетБонного п природного массивов, использованием апробированных методов исследованяя я анализа стохастических величин с реализацией

их на ЭВМ. Объем реализаций математических моделей достаточен для того, чтобы о вероятностью 0.95 отклонение результатов ие превышало 15 %. Достоверность рекомендаций подтверздаетоя положительными результатами внедрения.

Реализация работы. "Методика установления дифференцированных нормативных прочностей закладки для камер Ридцер-Со-кольного ыесторовдения и оценка уровня надежности закладочного массива" внедрена на двух рудниках Лениногорского полиметаллического комбината с фактическим экономическим эффектом - 335 тыс.руб., полученным за счет экономии цемента.

Аптю'бация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научных оеминарах лаборатории горной геомеханики ВНИИцветмета, на ХШ и ИУ научно-технических конференциях молодых ученых ВНИИцветмета, на заседаниях технического совета Лениногорского полиметаллического комбината.

Публикации. По теме диссертация опубликовано 7 печатных работ.

Объем диссертации. Диссертационная работа состоит яз введения, четырех глав, заключения, библиографического списка яз 83 наименований и трех приложений. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, включая 18 рисунков, 16 таблиц и 3 приложения на 14 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Исследования!,I вопроса установления нормативной прочности твердеющей закладки, обоснования ее необходимых прочностных и

деформационных характеристик в зависимости от трэбований, предъявляемых к ней при разработке месторождений полезных ncKonani.m системами с закладкой посвящены работы Алдамбер-генова У.А., Байконурова O.A., Борщ-Кошганиеца В.Н., Бронникова Д.М., Замесова Н.Ф., Именятова В.Р., Палия В.Д., Цыгалова М.Н.

Анализ показач, что определение необходимой прочности закладки производится на основания расчетных схем с применением детерминированных величин. Это позволяет учесть только основные закономерности в системе "массив-закладка". При решении задач подобного рода требуется анализ случайных второстепенных факторов, придающих исходу расчета элемент неопределенности. Для того, чтобы правильно определить значение каждого параметра, входящего в расчетную схему, необходимо изучить явление о точки зрения закономерностей, присущих случайным величинам. Учет стохастической природы явлений введением коэффициента запаса не решает до конца проблемы, так как требуется обоснование величины характеристики безопасности.

Разработанный в последнее время метод оценки надежности системы позволяет учитывать феноменологическую природу свойств я параметров среды и агрегата. Критерий надежности дает возможность оптимизировать работоспособность системы по управляемый параметрам. Однако применение этого критерия для системы "масояв-закладка" требует получения достоверной информации о вариации свойств искусственного массива и природной среды, а также создания расчетных схем. Это предопределило задачи работы:

- выделение критериев работоспособности системы "иассжв-закладка"

- создание и обоснование расчетных схем моделей для

описания всех выделенных критериев,

- обоснование оптимального уровня надежности,

- оптимизация параметров системы по фактору надежности в соответствия с функциями цели.

Исследования проводились для условий отработки крутопадающих рудных тел Ридцер-Сокольного месторождения камерными системами разработки.

Независимости от назначения закладки она должна удовлетворять ряду условий, которые определяются системой разработки и другими горно-техническими факторами. Эти условия являются критериями работоспособности системы "массив-закладка". Выделено в работа четыре основных критерия, которые учитывают вероятностный характер прочностных и компрессионных свойств закладки и различных видов нагрузки на закладочный массив, являющихся пересекающимися параметрами в системе "массив-закладка".

Поскольку закладка вместе с налегающей толщей пород выполняет функцию несущей конструкции, то главным критерием работоспособности закладочного массива по условию охраны поверхности следует принимать вероятность события

р = р{ £ожив * е<ьп), (и

где£<чк н £Эоп ожидаемые и допустимые деформации поверхности.

Остальные выделенные критерия оценивают устойчивость вертикальных и горизонтальных обнажений закладки, а также устойчивость бетонного столба закладки при его подработке и имеют вид

Р=Р{о«бсж}, (2,

где б и бен - ожидаемая нагрузка па закладочный массив п его фактическая прочность.

Количественные показатели надежности определялись путем непосредственных статистических наблюдений на основе обработки результатов измерений, а также путем аналитических расчетов методом имитационного моделирования. Оценка параметров и выбор закона распределения дая случайных величин выполнялись на ЭВМ . с использованием пакета прикладных программ методом максимального правдоподобия нормального, логнормального, гемма распределения, экспоненциального распределения, распределения Вейбулла, Об - распределения. Проверка гипотезы о соответствия экспериментальных данных выбранному закону осуществлялась по тием критериям: Пирсона, Колмогорова и .

Так как пересекающиеся параметры среды л агрогата могут иметь значения только в определенных границах, то формула

для вычисления уровня надежности работы агрегата в среде тлеет ВВД * £

О)

/V £ £( (Г (),

где Ь] В, - нигшяя и верхняя граница состояния параметра дая агрегата,

- нижняя я верхняя граница состояния параметра

дая среды,

6" - текущая координата,

функции распределения плотности вероятности параметров агрегата и среды.

Если состояте параметра среды задано детерминированной границей, то формула для вычисления уровня надежности агрегата в среде товт вид

л

где Л - область недопустимых состояний параметра б" Для 1$(о) Для вычисления уровня надежности системы разработана программа для ПЭВМ, в которой вычисление определенных интегралов ведется по формуле Симпсона и с использованием аппроксима-ционных формул с заданной точностью.

В главе 3 сделано обоснование моделей работы системы "тсспв-закладка". Под моделью понимается тркйя анвлитическря система, которая отобра,;я.от объект исследования. За аналитическую модель приняты выражения, полученные для определения нормативной прочности закладки на основании рациональных положений, разработанных ВШИ, МГМИ и ВНИИцветметом, несколько уточненных для условий Рлддер-Соколыюго месторождения.

• Для инженерных расчетов сдвижений и деформаций массива ' налегающих пород рекомендовала формула

£ „о^удат, , " {4)

пер

где £> - оэдцаэмая деформация поверхности, м,

6к - деформация вмещающих пород на выработанное пространство в зависимости от свойств закладки, м,

(т>т - мощность рудного тела по линии максимального влияния, м,

Нср - среднее расстояние по вертикали меаду поверхностью и выработанным пространством, м,

N,1- - размеры выработанного пространства по падению и ' простиранио, м,

- наименьшая ,длина полумулъды едвйяения, м, МЬ,С4, - коэффициента, учитывающие 'совместное'Влияние руд-'

ных тел я закономерности распределения сдвижений з мульде оседания.

Депорт,№щтя вмещающих пород на выработанное пространство рассчитывалась по фор^ле, полученной на основания лабораторных исследований компрессионных свойств применяемой закладки

с;

где & - прочность бетонной закладки, МПа,

СЖ

^ ~ удельнрл нагрузка на закладку, МПа, К„ - эмпирический коэффициент.

Нагрузка на срез в закладке при расчете устойчивости бетонного столба при его подработке определилась по формуле

К - , (6)

где 01 - половина пролета камеры между вмещающими породами,и, удельный вес закладки, МН/м3.

Изгибающие напряжения в слоистой кровле при расчете устойчивости горизонтальных обна-тотй закладки определялись из выражения г

где Ц- пролет обнажения закладки, м, Ьн - толщина нижнего несущего слоя закладки, м, К„ - коэффициент пргггруза.

Напряжения сиатяя в искусственных целиках при расчете устойчивости вертикальных обнглений закладки рассчитаны по' формуле ■

°с* ю'КфК» ' 18'

где коэффициент, учитывающий зависимость Ьагрузкя от угла падения рудного тола,

объемный вес прдгружающих пород, Н/м3, высота целика к пригружагацей толщи пород, м, КПр- коэфф., учитывающий снижепие веса закладки за счет контакта с вмещающими породш.ш, .

КсЬ - коэфф., учитывающий отношение площадей кровли я целика, Кф - коэфф. форш искусственного целика, К^, - коэфф.•длительной прочности.

Входная информация по параметрам онстемы для моделирования собиралась и обрабатывалась по данным геолого-маркшейдерской службы рудников. В таблице 1 представлены данные, использованные при определении характеристик распределения ожидаемых деформаций поверхности для трех залежей Рвддер-Сокольного месторождения.

Таблица 1

Входная .информация для реализации модели

Параметры

Числовые характеристики по залежам

Юго-запалная:3пводская ¡Центральная

а : 6-. а fe : а :

Мощность залежи т„, м 104 15 30 7 50 10

Угол падения 0. , град 87 3 50 3 70 3

Давление пород ^ , МПа 3.3 1.8 6.3 0.3 6.4 0.7

Средняя глубина Нср.м 270 17 380 17 470 17

Размер по падению N,м 160 17 110 17 100 17

Размер по простиранию

L , м

Размер полумульды сдвижения L ¡_, м

mm '

Плотность пород }»,т/м3

250

17 200 17 350 17

332 22 152 22 95 5 2.68' 0.04 .2.68 0.04 2.68 0.04

Ь таблице 2 приведены результаты моделирования.

Таблица 2

Характеристики распределений ожидаемых деформаций поверхносги и надежность системы "массив-закладка"

: Залежь Параметры . ........... --■ ■■-■■-■—■—

:Юго-западная: Заводская :Пентральная Закон распределения Л о г н о р ы а л ь н ы й

Параметр масштаба 0.1 - 0.31 0.47

Параметр фор.ш 1.06 1.19 1.14

Надежность пря Ц=2мм/м 0.71 0.8 0.63

Надежность лрпЕ^=3.5им/м 0.86 0.91 0.81

Надежность при=5.5мн/" 0.94 0.96 0.91

В таблице 2 величина обозначает допустимую деформации поверхности в зависимости от категория охраняемых объектов. Полученная величина надежности для объектов 1 я П категории охраны 0.86+0.96 является допустимой, однако для объектов 1 категории охраны в зоне подработки Заводской я Центральной залежи необходимо проводить мероприятия по повышению уровня надежности.

Анализ применения систем разработки с закладкой выработанного пространства по более чемм 100 камерам Ряддер-Сокольного месторождения, заложенных в 1985-89 гг., когда была установлена нормативная прочность искусственного массива 6 Ша, показал, что применение этих систем было экономически оправданно, а разубояяваняе руды зяктя.дггой не превышало допустимых пределов. Поэтому за нормативный .уровень надежности системы "массив-закладка" по условиям устойчивости обнажений бетонной закладки

бшш приняты показатели, рассчитанные по конкретным камерам, заложенным в этот период.

Оценка параметров и выбор закона распределения для фактической прочности бетона прородклась на основания 250 испытаний жернового материала. Установлено, что наиболее согласуется о эмпирическим логнормалыюе распределение с параметрами масштаба - 1.488 и форш - 0.679.

Входная информация для моделирования собиралась по локальным проектам отработки камер и представлена в таблице 3.

Таблица 3

Входная информация для моделирования

, » • »114*1

Параметры :0бознач. :Ед.язмвр:™"= .

_________I__|__; Ц ; "а

Пролет подработки I и 10.9 3.36

Плотность закладки т/и3 1.68 0.04

Высота несущего слоя Нц м 1.53 0.12

Высота целика Ь, м 44.1 19.1

о

Плотность пород т/м3 2.68 0.04

Высота прягруза НПр м 6.3 1.3

Длина камеры 6 м 45 17.

Козфф. форш Кф 0.73 Ц;07

Результаты имитационного моделирования показали, что расчетная величина ожидаемых нагрузок на закладку подчиняется логнормаль-ному и нормальному законам распределения, а уровень надежности системы "массив-закладка" по условию устойчивости горизонтальных обнажений равен 0.7, по условию устойчивости вертикальных обнажений закладки - 0.8 и 0.9 по условию устойчивости бетонного столба закладки.

Моделированием установлено, что надежность системы повысится, если уменьшать коэффициенты вариация для прочности закладки или ожидаемых нагрузок на нее, т.е. при определении необходимой прочности заюидки нужно учитывать конкретные горно-геологические условия для кагдой камеры и залежи и проводить мероприятия для получения более однородной закладки.

Поскольку понятие "надежность" означает лишь вероятность события, не вызывающего нарушения работоспособности системы, то даже при достижении нормативного уровня надежности требуется во время ведения горных работ осуществлять контроль за состоянием системы "массив-закладка" с целью предотвращения нежелательных и катастрофических явлений. С этой целью в работе разработано техническое решение по определению прочности твердеющей закладки и способ контроля напряженного состояния искусственной кровли горных выработок, на которые получены положительные решения Госпатента СССР.

На основании проведенных исследований была разработана "Методика установления дифференцированных портативных проч-ностей твердеющей закладки для камер Риддер-Сокольного месторождения и оценка уровня надежности закладочного массива". В соответствии с этой методикой нормативная прочность твердеющей закладки была снижена в зависимости о™ горно-геологических условий для ряда камер я затежей с 6 до 3-5 МПа без снижения уровня надежности системы "массив-закладка" ниже установленного уровня. Экономический эффект от внедрения результатов исследований на рудниках Риддер-Сокольного месторождения за два года внедрения составил 335 тыс. руб. и был получен за счет экономии 12.1 тыс. тонн цемента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи - оптимизации нормативной прочности твердеющей закладки по уровню надежности системы "маоспв-закладка", обеспечивающей сокращение расхода цемента на закладочных работах, повышение безопасности горных работ и снижение разубоживаяия руды закладкой.

Исследования, проведенные в работе, позволили сделать следующие выводы:

1. Установлено, что основнрми критериями работоспособности системы "массив-закладка" является вероятность события

р=р{в-„

2. Каждому критерию работоспособности найдено аналитическое. выражение для расчета ожидаемых нагрузок на закладку

я деформаций поверхности, по которым можно определять уровень надежности системы, а при введении в них обоснованного коэффициента запаса, учитывающего вариации параметров, входящих в формулы, рассчитать нормативную прочность, которая обеспечит работу системы с заданным уровнем надежности.

3. Моделированием по методу Монте Карло установлено, что величина ожидаемых деформаций поверхности распределена по логнормалъному закону, а расчетные величины нагрузок описываются усеченшлл нормальным распределением. Статистической ' обработкой результатов испытаний кернов закладки на прочность установлено, что величина прочности кернов описывается

логпор^эльнет оегчэнс" KWnrr*"vtcinT.'í,

А. Остановлено, тго ,тг,т о-г^пхтп Г.тлдер-

Цокольного кесторОАПочпя sa погг^тгля?*} ургозпт» падеягсстя скотс:21 "кассяв-зсглатггсГ ^о «гт-прт» пдецуст

iipiH^nTJj гначргшя:

- по тфчтзрхз ycvглр-ггстт.^лг-^ e^mr-cunS гаклалкя Jh = 0.7:

- яо крлторпп "З'ПТЛ-^ЛьТГГ: cCTÏ?-snn" пггладкп - 0.35;

- ПО кртгерзэ (??.7С7Г~-Г0 СГ-КЗЛДЯЯ

Jh ~

урогэнь г<—:г"чсс~'т Tï-rrrrî ;то~

зерхностя з гзглсс.*сс?л от т.**. гчгог*^ огг-.-??—т coo--"-'"""' " прлродшяс oösexroa пр:"тт"п':':;: г; ^zor^rsx С.,' -г О.;";;.

5. Установлено, ™о для пог'-телял уготпл тггяс-нотгл с~от'">!' гпесге-ггпга 7-:——•'•i?—.—1 пто-г'^гг:,

оавлшсся " "тсэл-г•• —......-f-î нг> "i?? п-гс::-

рпттшзвцпя 'i-.- ••• тп "î7<v ck.;""?-.

досперзяп яорзсекагзихся -z^nin^cc-- :

нзропрлптп.ч по рзглисаи-гл :то";

G. Установлено, -то -юг-"^"""'":"^ -сп~т- r-jwnjcw ТСЛОПП'З РШЗЮр-СоКОЛЬЯОГО Г*?СТ0Г,0~79*"-'- --0-5Т ',:,'ТЬ с;п~зза : с^эг учета конкрэтннх горно-гзологятвсглз: :i гсртотпхштсгл:; условвй, т.о. прз поткодо к ео опрололенлп.

7. йаторязли работа возяя з Hlarormr гсггновлсгп'л дпффзрэядпросашаа поряатлггся: nto—тлзтг-'гг—.эП ?о:г:?.тп для ягиар Рвддор-Сояольного кссторсг^знчт л огопка.уровня яадегясстк заалодотиого tírcsito**, ;>г, tsjjtnnitn '-О ют

ВЛКСМ и Рвддерском руднике Лениногорокого полиметаллического комбината с фактическим экономическим эффектом 335 тыс.руб., полученным за счет сокращения удельного расхода цемента на закладочных работах.

Основные положения диссертационной работы опубликованы:

1. Крахин Н.С., Анания А.й. Определение нормативной прочности твердеющей закладки/Дередовая технология горных

, работ в цветной металлургии:Сб.научн.тр./ВНИИцвзтмет.- Усть-Каменогорск, 1986. - С. 151-160.

2. Крахин Н.С., Ананин А.И. Определение нормативной прочности твердеющей закладки для Иртышской группы месторождений // Повышение технического уровня горного производства:

Сб. научн. тр. / ВНИИцветмет. - Усть-Каменогорск, 1986. - С. 129-137.

3. Крахин Н.С.,Анания А.И. Определение пролетов обнажения твердеющей закладки при нисходящей слоевой выемке // Физические процессы горного щгаизводства при разработке месторождений: Сб. научн. тр./ ВНШцветмет. - Усть-Каменогорск, 1987. - С. 58-63.

4. Ананин А.И. Оценка уровня надежности системы "массив-закладка" // Х1У научно-техническая конференция молодых исследователей: Тез. докл. - Усть-Каменогорск, 1989. - С. 8.

5. Рогов Е.И., Ананин А.И. Оценка работоспособности закладочного массива по уровню его наделности при разработке крутопадающих залежей месторождений полезных ископаемых // Резервы повышения эффективности разработки рудных месторождений: Сб. научн. тр./ ВНИИцветмет. - Усть - Каменогорск, 1990. - С. 81-85.

6. Федоров Е.В., Аяанин А.И. Способ определения прочности твердеющей закладки. Положительное решение Госпатента СССР

о ввдаче патента по заявке М 4839670/03 от 24.06.91.

7. Федоров Е.В., Ананин А.И. Способ контроля напряженного состояния искусственной кровли горных выработок. Положительное решение Госпатента СССР о выдаче патента по заявке .'» 4839671/03 от 14.ОС.30. '