автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Прогноз устойчивости выработок и разработка способов их поддержания при поэтапной выемке руд на больших глубинах

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ НВДР •

На правах рукописи

ДЗДУРОВ Магомед Ахметович

УДК 622.281:622.34

ПРОГНОЗ УСТОЙЧИВОСТИ ВЫРАБОТОК И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ИХ ПОДДЕНКАНИЯ ПРИ ПОЭТАПНОЙ ВЫЕМКЕ РУД НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ

Специальность: 05.15.02 - Подземная разработка месторождений полезных ископаемых 05.15.II - Физические процессы горного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА - 1953

отдел

Работа выполнена в Северо-Кавказском горно- металлургическом институте.

Официальные оппоненты:

профессор, доктор технических наук Н.Ф.Замесов

профессор, доктор технических наук В.Ф.Трумбачев

профессор, доктор технических наук Ю.Н.Огородников

Вадущая организация - Норильский горно-металлургический

комбинат концерна "Норильский никель"

Защига состоится "

"Ш&ЛНшъ г. в 10 часов на ааседании специализированного совета Д 003.20.01 в Институте проблем комплексного освоения недр РАЙ по адресу: 111020 г.Москва Е-20, Крюковскк£ туп. 4.

Оиывы на автореферат в 2-х экземплярах, 1аверенные пе-.четью, просим направлять в адрес совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан "_ -¿¿Ц/4^1993 г.

Учены! секретарь специалиаированно15^^^^~ч 1 I

срвега, кандидат техяяческих Г.И.Богданрв

Общая характеристика работы

Актуаяьность проблемы. Горнодобывающая промышленность отличается высокой фондоемкостью. Поэтому вопросы рационального использования основных фондов в этой отрасли являются составной часть» проблемы повышения эффективности всего горного производства. Наиболее остро проблема стоит на крупнейшем предприятии отрасли -Норильском ГМК.

Перспективы развития рудников Норильского района связаны с освоением мощных пологозалегающих: месторовдений разносортных мед-но-никелевых руд, расположенных на больших глубинах. Характерной особенностью разработки этих месторождений являются то, что во-первых, очистная выемка ведется поэтапно (в первую очередь отрабатываются богатые руды, затем менее богатые), во-вторых, откаточные и вентиляционно-закладочные горизонты необходимо поддерживать в течении всего срока существования рудников, исчисляемого десятилетиями.

Указанные характерные особенности предопределяют поэтапный переход горных выработок из одного напряженно-деформированного состояния в другое и их существование в течение 60-70 и более лет. В этих условиях к выбору способа поддержания долговременных выработок нужен дифференцированный подход. Поэтому возникает необходимость поиска новых подходов к'выбору типа крепи и её технологических параметров, способных адаптироваться к изменяющимся напряженно-деформированному состоянию .вмещающего массива и характеру влияния очистных работ.

Несмотря на использование современных достижений при проектировании и охране подземных горно-капитальных выработок, объём их перекрепления на рудниках Норильского района неуклонно растет, увеличивается и травматизм трудящихся. Эти же проблемы актуальны и для других горных предприятий.

Решению основных'задач этой проблемы и посвящена настоящая диссертационная работа, выполненная автором в соответствии с тематическими планами ИПКОН РАН на 1980-90 гг. по проблеме "Создание интенсивных методов подземной разработки рудных месторождений на большх глубинах", Северо-Кавказского горно-металлургического института на 1980-90 гг., бывших Министерства Металлургии СССР и научно-учебного центра фундаментальных и прикладных исследований в области горного дела АН СССР и Гособразования СССР на

1990-91 гг.

Целью работы является разработка меФодологии расчета и выбора наиболее экономичных и эффективных способов долговременного поддержания-(несколько десятилетий) горно-капитальных выработок на различных этапах разработки месторождений разносортных руд сложного строения, характеризующихся изменяющимся во времени напряженно-деформированным состоянием массива, вмещающего выработки.

' Идея работы заключается в использовании для прогноза устойчивости горных пород и выбора способа поддержания выработок общих закономерностей изменения напряженно-деформированного состо- ■ яния вмещающего массива под воздействием развивающихся во времени и пространстве очистных работ, многократно влияющих на его на-, пряженно-деформированное состояние.

Метод исследований. При выполнении данной работы использовался комплексный метод исследований, включающий анализ отечественного и зарубежного опыта поддержания и эксплуатации долговременных капитальных выработок, теоретические исследования, экспери- • менты в лабораторных и промышленных условиях, технико-экономический анализ результатов по выполненным исследованиям.

Основные, положения, выносимые на защиту:

1. Под влиянием поэтапной выемки разносортных руд вокруг выработок формируется асимметричное, изменяющееся во времени поле напряжений,""определяющее пространственное положение, размеры и конфигурацию зоны неупругих деформаций, а так же характер нарушения устойчивости приконтурных пород.

Концентрация разрушающих напряжений происходит в условной плоскости ослабления, пространственное положение которой функционально зависит от угла падения рудной залежи и влияния очистной выемки. Во всех случаях максимальная концентрация напряжений происходит в бортах выработок со стороны восстания' рудной залежи. В выработках, не испытывающих влияние очистной выемки, максимальные напряжения наблюдаются в замковой части контура, а испытывающих влияние очистной выемки - в середине борта.

2. Размеры зон неупругих деформаций зависят от структурно-текстурных особенностей горных пород, их минералогического состава, времени вступления во взаимодействие с укрепляемым массивом разновидностей анкерной крепи и хорошо фиксируются микропетрографическими исследованиями.

3. Создание единой системы "порода-крепь" обеспечивается применением разработанных способа крепления и аналитико-экспе-риментального метода расчета технологических параметров анкерной крепи, основзяных на использовании математических моделей, описывающих устойчивое поддержание заанкерованног'о массива и учете влияния изменяющихся во времени поля напряжений вокруг выработки и физико-механических-свойств приконтурных пород.

4. Бурение разгрузочных щелей в приконтурном породном массиве на участках предполагаемых максимальных смещений и разрушений, обеспечивает относительную устойчивость выработок за счет управления жесткостью массива и создания искусственной податливости в заведомо слабых местах. \

5. Поведение горных пород вокруг выработок на различных этапах разработки месторождения можно с достаточной степенью -надежности прогнозировать на основе разработанных методов и критериев, учитывающих химико-физико-механическую устойчивость минералов, слагающих эти породы, а так же трещиноватость приконтурного массива, в том числе обусловленную технологическими факторами.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных автором в данной диссертации, подтверждается:

- большим объёмом экспериментов по всем исследуемым вопросам; получением и использованием больших массивов статистических данных и применением математических методов их обработки;

- сходимосью результатов теоретических,- лабораторных и промышленных'исследований;

- применением методов исследований, апробированных ранее на других объектах;

- практическим применением рекомендаций автора на предприятиях Министерства промышленности России,

Научная новизна работы.'

I.Установлены механизм и закономерности деформирования и разрушения пород в окрестности горно-капитальных выработок, заключающиеся в том, что определены места концентрации максимальных напряжений и характер нарушения устойчивости приконтурного массива на различных этапах отработки разносортных руд. Полученные результаты позволили разработать способ разгрузки гсрных пород от повышенных-напряжений, обеспечивающий относительною устойчивость долговременных выработок на различных этапах разра -

ботки месторождения.

2. Создан инструмент, позволяющий оценивать изменчивость физико-механических свойств массива, вмещающего долговременные выработки, отличающийся учетом изменяющихся во времени химико-фи-зико-механичеокой устойчивости минералов, слагающих породы, и тре-щиноватости массива. Это позволило разработать, метод прогнозной оценки устойчивости выработок, проводимых в различных горно-геологических условиях,, обеспечивающий минимальные материальные и трудовые затраты при их долговременной эксплуатации.

3. На основе вьивленных закономерностей взаимодействия укрепляемых пород с разновидностями анкерной крепи, создан инженерный метод расчета технологических параметров и разработан способ крепления выработки, отличающийся'использованием несущей способности самих укрепляемых пород, учетом конфигурации зоны неупругих деформаций вокруг выработки, и обеспечивающие устойчивое поддержание долговременных горно-капитальных выработок в условиях изменяющегося во времени напряженно-деформированного состояния массива.

4. Научно обоснованы нормы амортизации на ремонт горизонтальных и наклонных капитальных выработок, отличающиеся учетом степе- . ни устойчивости горных пород и этапов выемки разносортных руд, способствующие эксплуатации долгодействующих выработок с минимальными материальными и трудовыми затратами, позволяющие прогнозировать денежные затраты предприятий на поддержания подземных сооружений. "

Практическая ценность работы. Выполненные исследования позволяют повысить устойчивость и эксплуатировать долговременные выработки на различных этапах разработки месторождения с минимальными трудовыми и материальными затратами.

Для этого предложены следующие решения :

- обоснованы целесообразность и экономическая эффективность профилактического ремонта долгодействующих горно-капитальных выработок и нормы их амортизации;

- предложены крепи для долгодействующих горно-капитал^к;'?-: наработок и методы расчета их технологических: параметров, способных адаптироваться к изменяющемуся напряженно-деформированному состоянию массива на различных от; ;ах разработки месторождения;

- разработана технологическая инструкция крепления подземных выработок.

Реализация работы. Полученные результаты нашли применение при креплении выработок различного назначения на предприятиях Норильского горно-металлургического, Урупского горно-обогатительного комбинатов, ПО "Армзолото", при строительстве Боснийского и Луарского'тоннелей ПО "Севосетинавтодор". Использование результатов работы на предприятиях позволило обеспечить устойчивость горных выработок различного назначения и получить экономический эффект, подтвержденный актами внедрения.

Апробация работы. Диссертационная работа и её отдельные разделы докладывались на Всесоюзных научных конференциях: "Применение сталеполимерного и полимерного крепления на рудниках Цветной Металлургии" (г. Москва, 1984), "Пути повышения эффективности способов и средств крепления и поддержания горных выработок на современном этапе развития горных работ" (г. Свердловск, 1987), "Разработка и внедрение средств комплексной механизации и автоматизации проведения горных выработок" (г. Рудный, 1987), на Всесоюзных совещаниях: "Подземная добыча руд на больших глубинах" (г. Москва, 1986), "Интенсивные методы подземной разработки рудных месторождений на больших глубинах" (г. Москва, 1990), на Всесоюзных симпозиумах "Технологические и экологические проблемы создания подземных горно-промышленных комплексов (первый- г.Владикавказ, 1989; второй г. Днепропетровск, 1990), на совещании в Министерстве цветной металлургии "Рассмотрение хода выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (г.Москва, 1989), на научно-технических конференциях Норильского горнометаллургического комбината (г. Норильск, 1985,1988 и 1990) и Северо-Кавказского горно-металлургического института (г.Владикавказ, 1985-90)." '

Публикации. По теме диссертации опубликовано 34 печатные работы, II из которых защищены авторскими свидетельствами на изобретения. Данная диссертационная работа выполнена в соответствии с планами бывших АН СССР и ГКНТ СССР на 1985-90 гг. по проблеме "Создание интенсивных методов подземной разработки рудных месторождений на больших глубинах", а также в соответствии с планами НИР научно-учебного центра АН СССР и Гособразования СССР фундаментальных и прикладных исследований в области горного дела на 1990-91 гг.

Объзм диссертации. Диссертация состоит из введения, сти

глав, заключения, изложенных на 377 листах машинописного текста, включая 52 рисунка, 25 таблиц, список использованной литературы из 146 наименований отечественных и зарубежных авторов и девяти приложений.

Основное содержание работы

Талнахское и Октябрьское месторождения представлены мощными пологопадающими линзо- и пластообразными залежами сплошных (богатых) , медистых и вкрапленных (менее богатых) руд. Структурное строение отрабатываемых и подготовленных к выемке участков Тална-хского и Октябрьского месторождений характеризуется значительным количеством разрывных нарушений субмеридионального направления, которые обуславливают уступообразное строение залежей.

Характерной особенностью данных месторождений разносортных медно-никелевых руд Норильского района является то, что вначале производится отработка богатых руд, сохраняя при этом устойчивость налегающих и подстилающих медистых и вкрапленных руд, затем отрабатывают менее богатые руды, т.е. медистые и вкрапленные. В этой связи, учитывая огромные промышленные запасы полезных ископаемых, возникает необходимость поддержания откаточных, вентиляционно-за-кладочных горизонтов и других капитальных подземных сооружений на различных этапах разработки сложного месторождения. Сроки поддержания указанных .горизонтов составляют 60-70 и более лет.

Важное "значение при выборе способа поддержания долговременных подземных выработок имеют реологические свойства горных пород. В механике подземных сооружений, при определении поведения горных пород во времени, наибольшее распространение получили модели упруго-вязко-пластической среды и наследственной ползучести. Теоретические решения этих задач получили своё развитие в трудах советских и зарубежных ученых (Булычев Н.С., 1урчанинов И.А., Бакланов И.В., Картозия Б.А., Широков А.Ш , Ержанов Ж.С., Вольтер и др.) и находят широкое применение при определении прогнозной оценки устойчивости долговременных выработок.

На рудниках Норильского района одни и те же горно-капитальные выработки при развитии горных работ находятся поэтапно в совершенно различных геомеханических условиях: в зоне преобладания горизонтальных напряжений, обусловленных тектоническими явлениями, в зоне преобладания геостатического давления, вне зоны влия-8

ния очистных работ, в зоне подработки и надработки. Поэтому очевидно, что использование указанных теорий прочности для долговременных прогнозных оценок устойчивости и определения полей напряжений вокруг выработок будет некорректно, хотя основные теоретические положения их (теорий) необходимо учитывать. В качестве постоянной применяют монолитную железобетонную, металлическую арочную, анкерную, комбинированную (анкерная крепь + набрыэгбе-тонная) и усиленную комбинированную (анкерная крепь + набрызгбе-тонная + металлическая сетка) крепи. Доля применения анкерной крепи (и в том числе совместно с другими типами крепи) на рудниках НГМК составляет 80^. Увеличение глубины разработки, влияние последующей очистной выемки более бедных руд приводит к более опасным проявлениям горного давления, систематическому нарушению устойчивости подземных сооружений, изменению напряженно-деформированного состояния массива. Статистическими данными устаговлено, что, несмотря на использование современных способов управления горным давлением и охраны подземных сооружений, более 30% капитальных горизонтальных и наклонных выработок, закрепленных указанными типами крепи, -необходимо ежегодно перекреплять, а некоторые выработки перекрепляют полностью.

Неожиданные обрушения пород и крепи, большие объемы перекрепления объясняются следующими причинами. Во-первых, не учитывается изменяющееся поле напряжений вокруг выработок по мере развития горных работ, не применяются методы расчета технологических параметров анкерной крепи, основанные на современных представлениях о совместной работе системы "порода-крепь". Так, например, при расчете расстояния между .анкерами, используют формулу, полученную из представлений о работе анкера с породами по схе!«е "подвески". Во-вторых, применение жестких (монолитная железобетонная) и ограниченной податливости (арочная) крепей для укрепления массива, приконтурная часть которого подвергается значительный перемещениям при поэтапном воздействии очистной выемки, не решает ■проблемы работы крепи в режиме заданных нагрузок-и деформаций. Проблемами исследования горного давления, крепления и поддержания подземных сооружений на рудниках НПЯК занимаются академические, отраслевые и учебные институты ИПКСН, РАН, ВШШ, ЛГИ и др. На •основе этих исслрдовв*®» разработаны принципиально нор&е с; ;собц проходки и поддержания Рчр^бск'ок б сдс-лпяс горно-геологиче ких

условиях при влиянии различных факторов, определены оф^иктияшк-способы управления давлением массива. Несмотря на значительны;! объём выполненных исследований, анализ состояния и поддержания горно-капитальньгх выработок рудников Норильского ГМК показал, что вопросом изучения закономерностей проявления горного давления во времени при поэтапной выемке разносортных руд, выбору крепи и ел технологических параметров, способных адаптироваться к изменяющемуся напряженно-деформированному состоянию массива, методологии оценки прогнозной устойчивости долговременных выработок уделено . значительно мс-1п.:,;и.» внимание.

Для комплексного решения проблемы крепления и поддержания подземных сооружс-шй при минимальных материальных и трудовых затратах в условиях рудников Норильского района необходимо исследо- • рать поведение пргконтурного массива, вмещающего выработки, при поэтапной отработке месторождения, и на основе этого создать надежные прогнозные сценки устойчивости и экономичные способы охрани долговременных, выработок.

Проведенный аналио состояния проблемы определил необходимость решения следующих основных задач:

1. Определить механизм и закономерности деформирования и разрушения горных пород в окрестности горно-капитальных выработок при .поэтапной выемке разносортных руд.

2. Создать инструмент, позволяющий оценивать изменчивость устойчивости пород во нремени.

3. Установить критерии оценки устойчивости горно-капитальных выработок по меро развития горных работ и изменения характера напряженно-деформированного состояния пород.

4. Разработать метод расчета технологических параметров анкерной крепи с учетом совместной работы анкеров и укрепляемого массива и его физико-механических свойств.

5. Разработать способ разгрузки пород от повышенных напряжений, учитывающий влияние очисткой выемки.

6. Разработать рекомендации по поддержанию горно-капитальных выработок на различных этапах разработки месторождений.

7. Определить материальные и трудовые затраты на перекрепление и ремонт выработок, обосновать нормы амортизации и оценить экономическую эффективность выполненных исследований.

В процессе визуальных обследований горных выработок и анали-

за данных маркшейдерских замеров было выдвинуто предположение, что в окрестности выработки формируется асимметричное поле напряжений, изменяющееся по мере развития горных работ, и определяющее зону неупругих деформаций (ЗНД) вокруг подземных сооружений.

С целью установления основных закономерностей образования, формирования и пространственного положения зоны неупругих деформаций, изменения напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок со временем, а также выявления стадий нарушения устойчивости пород, на рудниках Норильского района были проведены шахтные наблюдения с помощью комплексных замерных станций, которые включали контурные и глубинные репера. В результате проведенных исследований установлено, что максимальные смещения контура выработки наблюдаются в бортах со стороны восстания залежи (до 148 мм). Наблюдения за смещением глубинных реперов подтвердили, что вокруг выработки образуется зона разуплотнения вокруг выработки сечением 4 х 4 м достигала 3,6 м в бортах со стороны восстания рудной залежи, со стороны падения - 1,5 м. Конфигурация ЗЦЦ имела форму эллипса, вытянутого в плоскости, совпадающей с углом падения рудной залежи (рис. I).

При нарушении устойчивости горных пород во времени вокруг выработок, не подверженных влиянию очистной выемки, условно можно выделить три характерные стадии. Первая стадия характеризуется образованием вокруг выработки зоны техногенной трещиноватос-ти и разрушением приконтурных пород, связанных с реализацией избыточных напряжений и разгрузки контура выработки в результате образования полости. Вокруг выработки на глубину до .1,5 м сразу же после проходки (т.е. взрыва очередной заходки) происходит интенсивное трещинообразование. Это является следствием мгновенного упругого деформирования массива, находящегося в напряженном состоянии. Глубина зоны трещинообразования 3-4 метра от забоя выработки. Наиболее интенсивно процесс трещинообразования (сопровождается характерным потрескиванием) протекает первые четыре -пять часов после проходки и продолжается примерно 20 ч, но уже с меньшей интенсивностью. Вокруг выработки породы разбиваются на пластины толщиной от 0,5 до' 10-12 см субпараллельными контуру трещинами. Предотвратить и управлять процессом трещинообразования в этот период практически невозможно, т.к. невозможно управлять процессом упругого деформирования массива. Далее начинается вторая стадия - разрушения бортов выработки в местах пересечения

плоскости ослабления (рис. I, заштрихованные части). В результате обширных инструментальных и визуальных наблюдений в выработках различного назначения, расположенных на глубинах более 5С0 и, установлено, что первоначальные нарушения происходят в плоскости ослабления, которая совпадает с углом падения рудной залежи и расположена ниже центра выработки на расстоянии, определяемом по формуле

где - угол падения рудной залежи.

Понятие "плоскость ослабления" в данной работе имеет следующий смысл. В приконтурных породах,ка отдельных участках происходит концентрация максимальных напряжений, причем нарушение устойчивости приконтурного-массива наблюдается на этих участках, расположенных друг против друга в одной плоскости - горизонтальной или наклонной к горизонту. Поэтому, -учитывая, что первоначальные нарушения устойчивости пород происходят в этой плоскости, и для удобства изложения материала, введен термин "плоскость ослабления!'

Характерной особенностью является то, что борт выработки со стороны восстания разрушается в верхней части, а со стороны падения - в нижней. В плоскости ослабления действуют максимальные сжимающие напряжения. При достижении ими предельных значений происходит радруиение к выдавливание части пород контура (рис. I, заштрихованные части), в прилегающих частях породы появляются растягивающие напряжения. При этом породы в окрестности выработки испытывают сложное напряженное состояние сжатия с -растяжением. Такое поведение массива в окрестности выработки, не подверженной влиянию очистной высоки, является результатом перераспределения исходного поля напряжений.

Если не принять меры- по дальнейшему предотврацегого разрушения бортов выработки (розведение крепи, дополнительная разгрузка массива), то в пируэта««,. достигших критической ширины (после разрушения бортов), происходит обрулеше кровли ТаАэе нарушение устойчивости пород в окрестности выработки характерно для третьей стад;«!.

Таким ..бр".г!Ом, в окрсгстпости поеденных ссорит!:?" рудников 1'ср;('!1-ск01'0 Г) "ОГ;:-| !1ру0ТС;. •?С|Г>,НсТр:'и>0<3 ПО-10 нзпряггл И1, которое м ог;';о.;сл::и'; с'ок.г^'уоа нчру":окио усто'М« ости

(I)

пород.

Практика ведения горных рабоу, визуальные и инструментальные наблюдения показали, что направление силового вектора не совпадает с направлением геостатического давления, а ориентировочно совпадает с углом падения (простирания) рудной залежи. С целью проверки полученных инструментальных и визуальных данных, исследования множества вариантов при различных горно-геологических и горно-технических условиях, рассмотрения большого числа возможных нагрузок и форм выработок, проведены исследования с применением экспериментальных методов математической теории упругости (фотомеханика). При исследовании численными и экспериментальными методами, характер напряженно-деформированного состояния массива изучаем предполагая, что горные породы упруги. Об этом свидетельствуют данные о поведении массива руд и пород месторождений Норильского района под нагрузкой, Деформации приконтурных пород выработок носят квазиупругий характер. Результаты исследований методами фотомеханики носят в основном качественный характер, но в то же время они'позволяют осуществлять оценку напряпенно-де-формированного состояния с учетом форм и размеров зон разрушений вокруг выработок.

Для Создания силового поля в окрестности выработок нами разработано нагрузочное устройство, суть которого состоит в том, что оно позволяет создавать изменяющееся во времени поле напряжений. По результатам выполненных исследований экспериментальными метода1.«;, построены эпюры напряжений вокруг выработок. Сравнительный анализ результатов с аналогичными решениями шахтных инструментальных наблюдений показал их достаточную сходимость. Таким образом, проведенные лабораторные исследования показали и дополнительно подтвердили результаты шахтных экспериментальных наблюдений, что' вокруг выработок при Я = 1,5-2,0 формируется асимметричное поле напряжений в виде вытянутого эллипса, причем максимальная концентрация напряжений наблюдается в бортах по восстанию зазежи.

Для выбора момента установки постоянной крепи выработок, определяю''}!!,«! является объ^гы вывалов приконтурных пород во времени. С целью установления количественных показателей вывалооб-разовакия во времени, проведены шахтные инструментальные наблюдения, которые заключались в определении изменения сечения выра-

ботки в одних и тех же местах через катггые 15 днеЧ с использованием точных методов измерений. В резул.угте этих исследований установлено, что основные вывалообразовшг.гл (до'63/5) в пределах зоны разуплотнения происходят в первые 20-40 дней после проходки выработки, 'затем объемы вывалов резко снижаются и этот процесс в дальнейшем стабилизируется.

На формирования зоны разуплотнения (или зоны неупругих деформаций) , при прочих равных условиях, оказывают влияние прочность и трещиноватость горных пород, глубина заложения выработки. На основе геологических и маркоюйдерских данных, а также проведенных нами наблюдений за глубинными реперами, получены зависимости мощности зош разуплотнения (зона возможного обруяения) от глубины заложения выработки, крепости и трещиноватости пород (рис. 2). Из рио. 2 видно, что с увеличением коэффициента крепости пород и расстояния ме^цу трещи::гам, мощность зоны разуплотнения уменьшается, а с возрастанием глубины заложения выработки - увеличивается. Полученные закономерности справедливы только для выработок, не подверженных влиянию очистных работ. Анализ закономерностей, приведенных на рис. 2,показывает, что наибольшее влияние ча распространение зоны разуплотнения оказывает глубина заложения выработки и трещьноватость вмещающего массива и в меньшей степени - крепость пород. Следовательно, на больпих глубинах горное давление, в основном, • проявляется в виде вывалов, а степень устойчивости в боль—, шей степени зависит от процессов выветривания, межминераш^ных связей и размеров элементарных блоков.

Важным Фактором, оказывающим влияние на устойчивость подземных сооружен/'!, являются соотношения их ширины и высоты. Для установления степени влияния соотношения чир"ны выработки ( 6 ) к ет высоте. ) на сбъэмн внчатов, нами *ыли проведены обширные исследования при соотношениях $■: Р) равных 0,8 ; 1,0 ; 1,2 ; 1,4. Олгичаинш соотнолс-нкен, с точки зрения мичюялыгых гшзалов, являются соотношения; рарнке 1,0 и 1,2. Гри соотношениях т $ : А , равнт.-к 0,8 и 1,4, объ'ггы еыгялор, при прочих ратгс услоЕШ;х Увеличиваются в 2-3 рзоа. '

Для шборя. элективной крепи 1; рксплултчгр!!! долговременных я:;рлботл:-: с ч:нэтл?льг-гл.1Т! •гоч.'рмздьн'^к г: трушогшши. яятш-шх'л/ :: необходим: уст".п"г\ :";•■ мшшш: 'огооя пет. ■•.".„'■." :::"" : ~ и гшш-линшх с нг. : ' "-^."вост:! ::лрод

"I4

«

о й о

п ,

I

Н С)

о

о

1 ■м!

•V

1 1

х. ! _ !

10 12 14 16 18 Коэффициент крепости пород

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

Расстояние мезду трещинами,- м

» ■■ '-'---;-1-_л_I_I

•300 400' 500 . 600 7:0 800 900 1000

Глубыга заложения выработки, м

Рис. 2. Зависимость мощности разуплотнения пород от глубины. заложения выработки, крепости к трещиноватости пород: I -глубина залог.ения выработки; 2 -кропость пород; 3 -рас-

стояние мезду трещинами.

при влиянии очистной ВЦ8МКИ.•

При влиянии очистных работ капитальные и подготовительные горные выработки могут быть подработаны и надработа;-а (очистными работали), расположены 'справа и слева камеры, в верхней или нижней пасти залежи. вронт очистных раоот может продвигаться параллельно или перпендикулярно выработке. Горная выработка, находящаяся в различном пространственном положении при ведении очистных работ, испытывает различные напряжения в зависимости от того, находится она в зоне опорного давления или в зоне разгрузки. С целью установления характера изменения напряженно-деформированнс-го состояния пород в окрестности выработок в зависимости от её пространственного положения, нами были проведены ¡лахтные инструментальные и лабораторные исследования с применением экспериментальных методов математической теории упругое?:.!.

lia качественное и количественное раедрел;е."е::ге ирпрягекч* пе-круг выработок определяющее значение (яри прочих равных условиях) оказывает коэффициент бокового давления ( Я ). При исследовании влияния очистной выемки не устойчивость выработок методами фотомеханики в моделях создавали различные соотношения напряжений, обусловленных вертикальными и горизонтальными силами: X-■ 0,5 ; 1,0 -, 1,5 и 2,0. Получаемые картеш распределения изохрОм близко совпадали при' А = 0,5-1,0 и ■ А= 1,5-2,0. Поэтому б дальней-iHïix описаниях лабораторных экспериментов '.и будем приводить только одно из значений коэффициента бокового давления: 0,5 или 1,0 и:. 1,5 или 2,0. ' .

В результате проведенных эксперю.н-лгтальтгх исследование получены следующие результаты: >

1. При наработке ©гоаботки концентрация напряжений в замковой части со стороны восстания рудной залежи при ксэйбицчеитв бо-ковог..- давления X = 2 возрастает в три раза по сравнению со случаем, когда А = I. !1а остальных участках приконтурных пород напряжет я практически не меняются. '

При■' подработке выработки концентрация напряжений возрастает при yl -- 2 в ззаново« части в 2,2 'раза, но снижается на IOfî в кровельной части.

2. Знр-тботки по условиям устойчивости и безопасности рксглу-ятлщаг отгюеш'ольно очкетгю" камеры vвертикально" лепта) следует р.'.сполагат;.) в ьксяче-м богсу ао .¡.е-ден'-ло рудного тела, а и ле- ачом -по Роостан?!':!.. rv.e поля напряге-:и 1 наиболее благоирмяткм с :'очЮ1

зрения устойчивости массива пород, и. количественные их (напряжений) значения минимальны.

3. При параллельном продвигали« фронта очистных работ, нарушение устойчивости'выработки происходит в её кровле, а при перпендикулярном - в бортах выработки., причем нарушения устойчивости (вывалы) пород со стороны продвигания очистной выемки были меньшими.

• Для выявления последовательности перехода массива из одного напряженно-деформированного состояния в другое, а также, в целях разработки и обоснованил оптимальных технологических параметров крепи, обеспечивающих эффективное поддержание подземных горных выработок при минимальных затратах труда и материалов, большое значение.имеют натурные исследования зоны неупругих деформаций -горных пород в окрестностях наработки применительно к каждому периоду очистной выемки, преэде 'всего оконтуривание этой зоны, т.е. определение её мощности (ширины) в различных направлениях от поверхности выработок. Существующие методы определения размеров зоны неупругих деформаций, в частности, метод глубинных реперов , не позволяют точно определить границы и причину перемещения приконтурных пород. Мощность зоны неупругих деформаций в окрестности Еыработки определяется многими факторами, но прежде всего - прочностью горных пород. Прочность горных пород, в свою очередь, зависит от параметров кристаллической решетки минералов, характера межзерновых контактов и сил взаимного сцепления соприкасающихся минералов, пористости и трещиноватости, физико-механической и химической устойчивости минералов, слагающих горные породы. Так, например, при невысокой химической устойчивости минералов в горных породах (при их обнаружении или вскрытии горными выработками) происходит их замещение другими минералами, что приводит к увеличень.о объёмов порового и трещинного пространства и, следовательно, к снижению прочности массива. В этой связи необходимо было разработать инструмент, позволяющий оценивать физико-механическую и химическую устойчивость минералов, составляющих горные породы, во,времени.

В данные целях наиболее' информативной, как показали проведенные автором опытно-методические работы на Октябрьском и Комсомольском рудниках, является первичная (истинная) индуктирован-

ная трещинная пустотность, выявляемая макроскопически (макротре-щиннал пустотность) и в ¡¡¡лифах под микроскопом (микротрещинная пустотность). По предложенной автором общей генетической классификации типов пустотности горных пород, к данному типу относится искусственная (техногенная пустотность, обусловленная трещиновато стью горных пород, возникшей в результате проведения горных работ, при строительстве и последующей эксплуатации, горных выработок.

Натурные исследования зоны неупругих деформаций производили по изучению микротрещиноватости горных пород в окрестностях выработок, основанным на изучении шлифов под микроскопом (микропетрографический метод).

В окрестностях подземной выработки (а именно - впереди забоя выработки и в зоне,- непосредственно примыкающей к ез боковым 'стенкам) наиболее эффективным показателем в данных целях является густота трещин, превде всего площадная густота трещин (Аг.тр.), связанная непосредственно с изменением объёма пород и определяемая из выражения : _

/1

- (2)

Г Т ~ • в«, " 5.

'и! ОМ/

где П - число трещин, наблюдаемых в шлифе; £тр - средняя длина трещин; 1_ тр - суммарная длина трещин; - площадь шлифа. .

¿7» = ^ > (3)

где - длина единичной трещины. '

' При условии равенства величин сопоставляемых площадей вполне эффективным в рассматриваемых целях показателем может являться' суммарная длина трещин ( С Трс).

Запредельное деформирование горных пород связано с измене- . нием их объёма. Это изменение объёма для отдельных элементов массива незначительно, а интегрально - велико. Можно предположить, что такие незначительные изменения (соизмеримые, например, с керном) проявляются на микроуровне в виде разрушения менкристалли-ческих и межминеральных связей. Если такое предположение правомерно, то для однотипных руд и пород должно наблюдаться изменение статистической микротрещиноватости для образцов,, взятых из нетронутого массива и аналогичных образцов, взятых в окрестности

горной выработки. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что анализ закономерностей развития микротрещиновато-сти в пространстве позволит оценивать степень деформирования различных участков приконтурного массива под воздействием горного давления.

' В плане реализации предложенной автором'методики натурных наблюдений за состоянием горных пород вокруг выработок на основе микропетрографических исследований изучению были подвергнуты более 100 керновых и штуфных проб горных пород и руд рудников Норильского ГМК.

Микропетрографические исследования заключались, главным образом, в изучении и сопоставлении микротрещиноватости однотипных руд и пород, отобранных на различном расстоянии от поверхности вырас'отки. Исследование руд проводилось в полированных шлифах (аншлифах), горных пород - в прозраиных-шлифах. Шлифы изготовлялись из керновых образцов в двух взаимно перпендикулярных направлениях - вдоль оси керна и в плоскости, перпендикулярной оси керна. ¡ .

Исследованные образцы были отобраны в интервале от поверхности выработки до глубины 5 м через каждые 0,5 м.

Непосредственное сопоставление проводилось, естественно, лйщь в пределах серий одинаково ориентированных "мифов. Все наблюдения сопровождались шкрофотографиоованием.

На основании данных трещиноватости керновых проб получены зависимости изменения гогоцадной густоты трещин вглубь от контура выработки (рис. 3). С целью определения влияния -проводимых: выработок на-техногенную трещиноватость окружающего массива, из разведочных скважин, ранее пробуренных (до проведения выработки) в районе экспериментальных участков отбора кернов для исследований, отобраны керны нетронутого массива и определена их площадная густота трещин, которая была в пределах 3-9 мм/см*". Как видно, они близки фоновым значениям площадной трещиноватости кернов, отобранных на глубине 5 м (рис. 3). Следовательно можно говорить о том, что выработки сечением 10-20 кв.м оказывают влияние на трещиноватость массива на глубину, ориентировочно, до 5 м. Это. подтверждается результатами измерения, например, методом разгрузки.

Основные полученные результаты микропетрографических иссле-

Ча

•§16

§14

а

и

й

§12 о

ю

¿г"

. 2 1 - •

X, * к \ \ \ 1 ь. \ \ к \ ► >

\ * у • 4 . д ^ 1 Л •

А 4

2 3 4 5

Расстояние от контура выработки, м

го

Рис. 3. Изменение площадной густоты трещинвглубь массива: I -фактическая зависимость.поперечного разреза керновых проб; I -то ке, усредненная зависимость; 2 -фактическая зависимость ■продольного разреза керновых проб; 2 -то яе, усредненная зависимость.

дований могут быть сведены к следующим двум положениям, основанным, главным образом, на материалах по изучению рудных образцов в интервале 0,5-5,0 м от поверхности выработки.

1. В направлении от глубины, массива к поверхности горной выработки в' указанном интервале глубин степень микротрещинова-тости пород (руд) массива в целом увеличивается.

2. Одновременно с общим увеличением степени микротрещинова-тости пород меняются структурные характеристики микротрещинова-тости. Последняя приобретает более упорядоченный характер с четким обособлением трещин,• сгруппированных в две основные системы, ориентированные по отношению друг к другу под углом, близким к прямому, что особенно хорошо наблюдается в срезах, ориентированных перпендикулярно оси керна и, соответственно, параллельно поверхности горной выработки.

Приведенные результаты натурных микропетрографических исследований зоны неупругих деформаций в окрестностях подземных горных выработок свидетельствуют о высокой чувствительности данного метода, в той или иной мере превосходящей чувствительность инструментальных .наблюдений (например, с использованием глубинны* реперов). Это убедительно подтверждается сравнительным анализом рисунков I и 3. Из рис. I видно, что максимальная глубина зоны неупругих деформаций, зарегистрированная глубинными реперами, равна 3,6 м, а из микрофотографий продольных и поперечных разрезов керновых проб, взятых на том же месте (рис. 3), следует, что на расстоянии 5 м от контура выработки все .-ещё продолжалось трещинообраэование, обусловленное влиянием проходки. Относительно микрофотографий поперечных разрезов керновых образцов можно сказать, что на глубине 5 м площадная пустота трещин стабилизировалась,. а в продольных разрезах керновых образцов процесс тре-щинообразования не стабилизировался, хотя по всей вероятности . он близок к этому. Из проведенного анализа можно сделать дополнительный вывод: область неупругих деформаций формируется и в приконтурном массиве, не подверженном деформациям. Достоинство метода микропетрографических исследований массива состоит в том, что интегральное значение суммарной пустотности (трещин) может быть незначительным и не фиксироваться достаточно грубыми методами (например, станцией глубинных реперов с небольшой базой), в то же время изменение на микроуровне дает возможность более

надежно судить о размерах 31Щ и прогнозировать их с учетом статистического анализа за последействием о возможной устойчивости горных пород.

С учетом имеющихся данных об устойчивости' подземных горных выработок рудников "Октябрьский" и "Комсомольский", основанных на-фактической съёмке нарушенных участков и полученных результатах определений величины микротрещиноватости, можно предложить следующую классификацию зависимости устойчивости выработок от значений величины микротрещиноватости горных пород, (табл. I).

Естественно ожидать, что в различных горно-геологических условиях конкретные значения величины Аг.тр., соответствующие выделенным трем классам устойчивости выработок (табл. I), могут в той или иной степени варьировать;

Таблица I

Зависимость устойчивости подземных выработок Октябрьского и Комсомольского рудников от степени микротрещиноватости горных пород (А т_ ) ,

Характер устойчивости выработок ! Аг.тр.» ш/см2

Устойчивые ¿5

Выпадение отдельных заколов 5 - 10

Вывалы

В связи с необходимостью длительной эксплуатации горных выработок чрезвычайно важными являются исследования и прогноз изменения физико-механических свойств вмещающих пород и, соответственно, устойчивости горных выработок во времени. Состав, свойства и количественное содержание в породе различных минералов являются исключительно важными показателями, в значительной мере определяющими физико-механические свойства пород. Универсальной интегральной характеристикой физико-механических свойств минералов является их твердость.

Определяемая во времени, т.е. в течение достаточно длительного периода, устойчивость горных выработок далеко не,всегда оказывается адекватной величина:,1 физико-механической устойчивое-

ти минералов (б^). Например, при не столь уж низкой физико-ме-ханическоЯ устойчивости минералов сульфидных руд Норильска и Талнаха высокой крепости отих руд по шкале проф. М.М.Протодьяко-нова, достигающей в отдельных случаях самых высоких категорий ( / =10-5-18), устойчивость выработок, проведенных в этих рудах, оказывается через некоторое время после их проведения зачастую весьма невысокой и , наоборот, устойчивость выработок, проведенных, например, в доломитах, с коэффициентом крепости ^ =6-7, весьма высокая.

В связи со сказанным очевидно, что при долговременной эксплуатации выработок на их устойчивость начинает сказываться влияние ещё какого-то фактора, не проявлявшегося или же проявлявшегося слабо при проходке выработок и их кратковременной эксплуатации. Таким фактором является, в частности, химическая устойчивость рудных и сопутствующих им минералов (.&сИ ), обнажающихся на поверхности выработок и слагающих им приконтурное пространство.

В данной работе излагаются только принципиальные основы разработанной автором новой методики различного во времени (краткосрочного, долгосрочного) прогнозирования устойчивости горных выработок, учитывающего охарактеризованные выше свойства минералов и слагаемых ими пород (и руд), в которых проводится выработка. Собственно говоря, предлагаемый автором новый подход к решению данного, исключительно важного вопроса - это ещё не вся методика, а лигиь один из её элементов, не отменяющий другие, существующие в этой области, подходы и методики и полученные на их основе результаты, а-лишь дополняющий их.

'С учетом изложенных вше положений, устойчивость горных выработок в общем случае пропорциональна интегральной величине химико-физико-механической устойчивости горных пород (и руд) (баллу их устойчивости - ), определяемой, исходя из величин химической ) и физико-механической устойчивости минералов и количественного (процентного) содержания кажцого из них в горной породе (руде).

Интегральная химико-физико-механическая устойчивость горных пород, от которой зависит прогнозная оценка, устойчивости горных выработок, определяется по формуле:

- &РЙ •

( 4 )

6рй

где в 5 - интегральная химико-физико-механическая устойчивость (балл устойчивости) горных пород; - средний балл физико-механической устойчивости минералов горной породы, определенный с учетом количественного содержания в породе каждого ш-_ нерола;

&сР] ~ средний балл химической устойчивости минералов горной породы, также определенный с учетом количественного содержания в породе каждого мм-' нерала: ■

— п

ЬрР, = 21. ЯрЫ-сс/п = /п

( 5 )■

С б )

где и - соответственно, баллы физико-механической и химической устойчивости каждого из присутствую 'тих в породе .'киератов;

Сс ~ процентное содерх-м/е соогро^отву^его минерала в породе (руде);

П - число олаг::но ;нх породу (или руду) жнералов.

На основе предложенной формулы (4) и классификации минералов по их физико-механической и химической устойчивости профессора М.Г.Бергера с дополнениями автора, предложена оценка интегральной устойчивости горных пород (табл.-3).

Из приведенных в указанной таблице данных, в частности, следует, что при одних и тех же исходных значениях интегральной хииико-физико-мехакической устойчивости горных пород и руд прогнозная оценка устойчивости подземных выработок должна буть различной в зависимости от срока службы выработки. Так, например, при Е>$ = 30-35 краткосрочный прогноз устойчивости пород положительный (устойчивость срздштя), однако, уже при обнл-

жении пород в течение I года и более (долгосрочный прогноз), как следует.из табл. 2, устойчивость пород является низкой, что требует соответствующего учета при решении вопросов крепления и поддержания долгодействующих выработок.

Более полный прогноз устойчивости горных выработок должен учитывать, безусловно; и степень трещиноватости, в частности, микротрещиноватости горных пород (Аг>Тр ), которая может определяться как на стадии эксплуатации месторождения, так и на более ранних стадиях в процессе проведения разведочных работ.

В первом приближении величина устойчивости выработок ( 3 ) может быть количественно оценена в условных единицах по формуле:

5 - Е>л/АГ.Т/>. ( 7 )

При этом, с учетом конкретных значений величин и Аг Тр и данных по устойчивости горных.выработок, в частности, на рудниках Талнахского месторождения, предложена следующая прогнозная оценка устойчивости выработок по величине 5 , определенной, как следует из формулы 7, с учетом величины микротрещиноватости пород и свойств минералов, слагающих эти породы (табл. 3). Дальнейшие исследования позволят уточнить приведенные в табл. 3 конкретные числовые значения степени устойчивости выработок (Б) в различных горно-геологических условиях после накопления и обобщения более значительного статистического материала по различным месторождениям, однако, в целом такой подход представляется полезным и перспективным.

Зная поведение массива (т.е. его устойчивость) и последовательность перехода массива из одного напряженного состояния в другое, мы можем выбирать вид крепи и его параметры, прогнозировать периодичность крепи и необходимые затраты на перекрепление выработок. Последнее дает возможность избежать ненужные затраты на перекрепление и поддержание горных выработок. Это весьма важно для прогнозирования технико-экономических показателей предприятия.

Известно, что формирование зон неупругих деформаций в породном массиве начинается сразу же после проведения выработки, размеры которых со временем увеличиваются, что приводит к соответственному увеличению нагрузок на крепь. Как показывает прак-

Таблица 2

Интегральный показатель устойчивости горных пород ( , усл.ед.)

Предельные вычисленные значения интегральной устой -ч1гзссти горных по£од,_ (Зз =_ - вей _

Оценка' устойчивости ! краткосрочный прог- ' долгосрочный весьма долгосроч-

I ноз ! прогноз ! ный прогноз

! (до 60- суток) ! (до I года) ! (евьгле I года)

Весьма еысокзя > 108 > 120 ' > 132

Высокая 63 - 108 72 - 120 81 - 132

Средняя ' 30 - 63 :35 - 72 • ' ' 42 - 81

Низкая 9-30 12-36 15 - 42

Весьма низкая 2-9' 4-12 6-15

Исключительно низкая - < 2 <-А <6

£ Таблица 3

Прогнозная оценка устойчивости подземных горных выработок

] .Значения _, _усл.еа._

Сцгнка устойчивости ' краткосрочный ! прогноз ' (до 6С суток) ! долгосрочный 1 прогноз ! (до I года) 'весьма долго-1 срочный прог-"ноз(свьпяе 1года)

Высокая (устойчивые выработки) >22 ? 24 ^26

Средняя (вылздение отдельных.заколов) 3-22 3,5 - 24 4 - 2-3

Низкая (возмогло взвалообразование) 3 <3,5 <4

тика, деформация вглубь массива не распространяется, если сохранить устойчивость пород ЗНД (например, установкой крепи или повышением сопротивления приконтурного массива сдвиговым и растягивающим напряжениям). Зона неупругих деформаций работает в различной степени зависимости от времени после проведения выработок как грузонесущая конструкция, участвуя. вместе с крепью и системе сил, противодействующих распространению тре.щиноватости и деформаций вглубь массива.

Ликерная крепь увеличивает сопротивление' массива сдвиговым и растягивающим напряжениям. С целью изучения напряженного состояния заанкерованного массива в окрестности выработки, нами проведены исследования с использованием ме тода фотомеханики. При проведении экспериментов условия моделирования были максимально приближены к натурным (рудники НГШ). В частности, коэффициент бокового давления был принят равным Л = 1,5-2,0, глубина'заложения выработки изменялась от <500 до 1500 м. Эксперимент был проведен в два этапа.

На первом этапе было исследовано напряжение в окрестности незакрепленной выработки. На втором этапе, при тех же условиях моделирования, исследовано поле напряжений вокруг выработки, закрепленной анкерной крепью. Б результате этих исследований установлено, что укрепление массива анкерной крепью позволяет снизить напряжение на контуре выработок: в замковой части в среднем на 32%, а. в кровле на 28"'. При этом напряжения на других участках контура выработки не увеличивались.

Определяющим .фактором, кроме исходного поля напряжений, при формировании зоны разуплотнения (зоны неупругих деформаций) в окрестности выработки является время. Количественные значения нагрузок на крепь будут зависеть от того, насколько быстро после проходки установлена крепь и насколько быстро она вступит во взаимодействие с укрепляемым массивом. Для определения количественных показателей на рудниках ПО "Армзолото" и Норильского ГШ наш били проведены исследования влияния времени набора несущей способности разновидностей анкерной крепи на размера ясны неупрутга деформаций вокруг выработки.

Сравнительный анализ проводился для разновидностей анкерной крепи, вступ.-исщит в несупую способность через '/2 ч (железобетонная анкерная), 20 ч (железобетонная анкерная с ускорителем схва-

тывания) и 4 ч (сталеполилерная анкерная). Было установлено, что при прочих равных условиях, укрепление массива сталеполимерной анкерной крепью позволяет уменьшить размеры зонь: неупругих деформаций на 30$ (по сравнению с железобетонной анкерной).

Для вовлечения горных пород в укрепление приконтурного массива, необходимо воссоздать в них объёмное напряженное состояние, приближенное к состоянию нетронутого массива, причем в ограниченный промежуток времени после проходки (до развития необратимых процессов в пределах зоны разуплотнения). В получении объёмного напряженного состояния в окрестности выработки важное значение приобретают технологические параметры анкерной крепи: расстояние между анкерами и их длина. Кроме того, технологические параметры анкерной крепи обуславливают материальные и трудовые затраты при креплении и поддержании долговременных выработок. Поэтому параметры крепи должны быть научно обосновали и обеспечивать устойчивость выработок в процессе оксллуатации.

Учитывая вышеизложенное, нами разработан метод расчета технологических параметров анкерной крепи, позволяющий вовлечь в несущую способность сами укрепляемые горные породы, суть которого в следующем.. •

При определении расстояния мевду ан'-:орами необходимо учитывать два оОстоятельства. Во-первых, при выбранной сетке анкерова-ния,анкер должен обладать необходимой несущей споссбностью (способностью вьщерживать вес породного столба, приходящегося на него) . Во-вторых, выбранная сетка анкеронания должна удовлетворять условию устойчивости пород между анкерами.

В горном деле в расчетах используют методы теории сопротивления материалов и теории упругости. Несмотря на схематизацию явлений, вышеуказанны^ методы позволяют с достаточной точностью решать практические задачи.

В данной р.чботе автор рассматривает породны« объэм, зяклю-ченаь'й ме^цу четырьмя анкер"?.чи, к'лк плпту, опиропцуюся на четыре опор! (четыре анкера) и пащостенную по во ому контуру. Об ;(оя -мсо-тн плати равна ; даоч'е зода го., мощного обругсиил пород, а высота н'Г'иого слоя, которп? ».чиицет сбрупат^ся лелче проведения выработки и устзнокся йпкорои - высоте :покат:ыт.-п вывалов мс.7ду анкз-ра:.!ч. .Усто'/члг-ост: сисл.:« опнс:тл.-.?.ст диЛ^рспцпапьное

уравнение (уравнение С.Шермен)

аУ/л д"си ау_ ^ ( ^ ы-дч- дУ ~ Ф ■ '

СГ) ' Е-&о '

где ¿С/ --;-- - жесткость горных пород;

Е - модуль упругости пород;

^ - вертикальные перемещения плиты;

У - координаты в прямоугольной системе; ^ " - равномерно распределенная нагрузка в

пределах зоны возможного обрусения пород;

уи - коэффициент Пуассона пород.

Решая уравнение (8) методом Мориса-Леви, учитывая коэффициенты, зависящие от трещиноватости и ползучести горных пород, произведя соответствующие математические преобразования, получим формулу для определения расстояния между анкерами по' условию устойчивости пород заанкереванного массива:

' О-о,, .(9)

где - прочность пород на изгиб;

С - высота локальных виваяов между анкерами; Кг Кп - соответственно коэффициенты трещиноватости и. ползучести горных пород.

Длину армирующего стержня определяют по формуле

где - длина армирующего стержня;

¿0 - высота зоны возможного обруления (в кровле, » бортах, замковой части выработки);

- величина заглубления стержня за контур зоны возможного обруления пород; <-й - величина выступающей.' в выработку части стержня.

На основе установленных нами закономерностей проявления гор-

иого давления в горизонтальных и наклонных выработках, не подверженных влиянию очистной выемки, рудников Норильского ГМК, Урупского ГОК, ПО "Армзолото", а также учитывая ранее проведенные исследования А.П.Широкова, Ж.С.Ержанова и Ю.М.Либермана, получена эмпирическая формула для определения высоты зоны возможного обрушения пород .(в кровле, бортах или замковой части 'выработки)

° 2.кт.к„фи У

Ш-

беж

2.

( II )

где

•/// у беж 4

/7 - высота выработки; А - ширина выработки; V - угол внутреннего трения горных пород; Н - глубина заложения выработки; ^ - плотность горных пород; (5см.- прочность пород на одноосное сжатие.

Па основе предложенного метода расчета технологических параметров анкерной крепи, нами разработан способ крепления горной выработки, позволяющий воссоздать объемное напряженное состояние в окрестности выработки, максимально приближенное к первоначальному состоянию, создать систему "порода-крепь" с использованием несущей способности самих горных пород.

На больших глубинах проблемы управления напряжениями в массиве особенно актуальны, т.к. высокие их концентрации могут привести к динамическим формам проявления горного давления. Иарупо-

I I С ^/"СТ 1 И Е ( 1

ПППМ; г

ОКЬ'>-

"и: не .и;

этап;

по

] с 1 1

>

"ни.

\ 10 11ТО1 (I I-

к

те г

ппуе

при

И

I 1 з

1Й0!"

и

ч

1

t

L

(рис. 4), которая субпараилеяьна углу падения (простирания) рудной залежи и расположена ниже центра выработки на расстоянии И , определяемом по формуле I. Если выработка расположена по простиранию рудного тела, необходимо учитывать угол падения иестороп-дунпл псреот простирания, если же вкрест простирания - то угол падения рудной залежи по простиранию. Ранее установлено, что концентрация максимальных напряжений в окрестности выработок происходит на участках, где условной осью является плоскость ослабления. Первоначальные нарушения приконтурного массива начинаются в точках А и В (рис. 4). Кок било определено, уровень действующих напряжений настолько висок, что с любом случае в той или иной мере в окрестности выработки происходит нарушение устойчивости пород. Поэтому н&ча задача заключается в том, чтобы свести к минимуму проявление отих напряжений, а не стараться их исключить, что практически и невозможно.

Эффект разгрузки массива можно достичь только в том случае, если рационально управлять жесткостью горных пород. Произвольное оабуривание разгрузочных шпуров ' (без учета направления действия 'напряжений) приводит к нарушению целостности нетронутого массива, т.к. в плоскости ослабления в любой случае происходит раэруоеиие (разуплотнение) массива. Следовательно, управляя жесткостью массива созданием в ослабленных плоскостях дополнительной, податливости, можно сохранить целостность остального массива.

Вокруг одиночной горной выработки существует исходное поле напряжений, а главные разрушающие напряжения действуют в плоскости ослабления. Для создания податливости в наиболее слабом мосте определяем пространственное положение плоскости ослабления и в точках ео пересечения' с бортами выработки, по восстанию и падению рудной залежи, забуриваем разгрузочные шпуры через £0 см на глубину, не менее полупролета выработки (рис. 4). Разгруэоч-кче шпуры создают дополнительную податливость в местах концентрации максимальных напряжений, что и приводит к снижению жесткости массива. Если при эксплуатации одиночных долгодействующих выработок предполагается зиемка полезного ископаемого, влияние очистной выемки на эту выработку компенсируется бурением дополнительных разгрузочных шпурос в горизонтальной плоскости, проходящей через центр выработки с теми же параметрами (ряс. 4).

со л

разгрузочные шпуры- •

горизонтальная плоскость

плоскость ослабления

Рис.4. Способ разгрузки выработки от напряжений

Это поясняется тем, что при влиянии очистной выемки меняется характер поля .нчпряжений в окрестности выработки, массив из одного Ц"С переходит в другое, например, в зону разгрузки, и в плоскости меняется направление действия главных напряжений.

Приемущество изложенного способа снижения напряжений заключается в том, что податливость создается в заведомо разрушаемых участках контура выработки, сохраняя нетронутыми (разгрузочными полостями) остальные участки в окрестности подземных сооружений. Применение разработанного способа разгрузки выработки от напряжений позволило снизить размеры вывалообразований в 3 раза (с 57 до 20 см),.

Для всех стадий очистной выемки характерна концентрация больших напряжений и деформаций (более 140 мм на контуре выработки). Наличие значительных деформаций на-контуре жесткой (монолитная железобетонная) и ограниченной податливости (металлическая прочная) видов крепи приводит к их разрушению и в сочетании с их дороговизной делает использование указанных крепей малоэффективны:.';;. В этой связи доля применения-анкерной крепи, непосредственно взаимодействующей с укрепляемым массивом путем повьпления его сопротивления сдвиговым и растягивающим напряжениям, адаптирующейся к изменяющемуся полю напряжений, в сочетании с другими видами кропи или самостоятельно, на рудниках Норильского района составляет 80 %.

Проведенный комплекс исследований послужил основой для разработки рекомендаций по- поддержанию долговременных горно-капи-тальньк выработок на различных стадиях разработки месторождений, обоснованию норм их амортизации. Учитывая значительные деформации (140 мм и более) на контуре выработок, попадающих в.зону очистных работ, жесткие крепи и крепи с ограниченной податливостью рекомендуют применять только в выработках околоствольного двора, которые не испытывают влияние очистной выемки..Выработки откаточного и вентиляционно-закладочного горизонтов, попадающие в зону влияния очистных работ, с учетом трещиноватости массива и его петрографической разности, необходимо крепить комбинированной (анкерная + набрызгбетонная) и"усиленной комбинированной (■анкерная + набрызгбетонная + металлическая сетка или другие опорные элементы) крепями.

Вшголнеными исследованиями установлено, что различное напряженно-деформированное состояние массива в окрестности выработок, расположенных на глубине до и более 400 м, характеризуется различными формами проявления горного давления. Анализ статистических данных также показан, что материальные и трудовые затраты по перекреплению выработок, расположенных до и более 400 м, существенно различаются.

Интенсивность перекрепления зависит от ВДС массива, сечения выработок и времени их эксплуатации.

На основании выполненных исследований и статистической обработки фактически необходимых затрат на капитальный ремонт горнокапитальных выработок и с учетом влияния очистных работ получены следующие нормы их амортизации:

1. Выработки расположены на глубине до 400 м

Н^- = 1,8 % от сметной стоимости выработки;

2. Выработки расположены на глубине более 400 м

Н£ = 4,2 % от сметной стоимости выработок.

Указанные интервалы норм амортизации важны для прогнозирования денежнмх затрат при долговременной эксплуатации горно-капитальных выработок. Правильный учет полученных норм амортизации позволит подчеркивать капитальные подземные сооружения при минимальных затратах труда и материалов, прогнозировать денежные затраты горного предприятия.

Заключение

В данной диссертационной работе изложены научно обоснованные технологические и экономические решения, внедрение которых вносит значительный вклад и потечгше технико-экономических показателей горных предприятий, и заключающиеся в том, что на основании установленных закономерностей проявления горного давления при поэтапной отработке разносортных руд пологозалегающих мощных месторождений па больших глубинах в окрестности подземных капитальны-: выработок, разработана методология расчета и выбора наиболее экономичных' и эффективных способов их долговременного поддержания'при минимальных затрата;-: труда и материалов.

' Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем.

1. Установлены закономерности проявления горного да ал гики в капитальных выработках в зависимости от их ориеитяцли отнеситенъ-но рудного тела, влияния поэтапной выемки разносортных руд, глубины заложения, крепости и тре'циноватости вмещающих пород.

2. Доказано, что в окрестности выработок образуется асимметричное поле напряжений, определяющее смещения контура и нарушение устойчивости пород. Последующее влияние очистной выемки приводит к изменению поля напряжений вокруг выработок: меняется направление и величина главного силового вектора.

3. На основе анализа данных натурных замеров и результатов исследований с использованием математической теории упругости установлено, что:

- первоначальные наруления устойчивости приконтурных пород происходят в бортах выработки в условной плоскости ослабления, совпадающей по направлению с пространственной ориентацией залежи и расположенной ниже центра выработки на расстоянии, зависящем, от угла падения рудного тела;

- основные вывалсобразования (до 60-70$) в выработках происходят в перше 40-50 суток после её проходки и затем они резко уменьшаются и стабилизируются;

- количественные значения напряжений и характер их распределения вокруг выработок зависят ,от влияния очистной внемки и коэффициента бокового давления. Максимальные значения напряжений на контуре подработанных выработок снижаются на 10-20$ по сравнению с надработанными, но на отдельных участках контура минимальные напряжения возрастают на 10$, т.е. происходит выравнивание (усреднение) напряжений, что способствует повышению устойчивости долгодействуюцих выработок. При увеличении коэффициента бокового давления с 0,5-1,0 до 1,5-2,0, происходит возрастание напряжений на контуре подработанных выработок па.30-40$, а в подработанных - уменьшаются на 10$;

- выработки, относительно вертикальных лент (очистных камер), по условию максимально;'! устойчивости и безопасности, следует располагать по падению в висячем боку рудного тела, а по восстанию - в лежачем, где поля напряжений наиболее благоприятны с точки зрения устойчивости, а количественные значения напряжений мнпь^.альпы.

4. Ртрпботаш классификации физико-мехашчоско« и хи-.«ичсс-

кой устойчивости петрографической разности горных пород Талнах-ско-Октябрьского месторождения на основе которых, с учётом тре-щиноватости приконтурного массива, предложена общая методика оценки и установлены критерии прогнозной устойчивости долговременных горно-капитальных выработок. .

5. Обоснован метод микропетрографических исследований для оконтуривания зо^ неупругих деформаций, определяющей напряжения и смещения на контуре выработок, являющийся более точным и чувствительным по сравнению с существующим! методами.

6. Выявлено, что применение упрочняющих видов крепи (анке-рование массива и инъекционное упрочнение), повышающих сопротивление массива сдвиговым и растягивающим напряжениям, уменьшает глубину" разуплотнения (мощность зоны неупругих деформаций) при-контурных. пород от 25-30 до 20($.

7. На основе установленных закономерностей взаимодействия поведения укрепляемого массива и крепи, разработан инженерный метод расчета технологических параметров анкерной крепи и его использование при укреплении массива анкерами совместно с подхватами и опорными элементами позволяет воссоздать объёмное напряженное состояние в окрестности выработок, максимально приближенное к первоначальному состоянию, создать систему "порода-крепь"

с использованием несущей, способности самих укрепляемых пород.

3. Обоснована необходимость перекрепления и капитального ремонта долговременных выработок-и определены нормы их амортизации с учетом глубины расположения подземных сооружений, способствующие их эксплуатации' при минимальных затратах труда и материалов.

Э. Разработаны и внедрены:

-'способ разгрузки выработок от повышенных напряжений, учитывающий изменяющееся напряженно-деформированное состояние массива при поэтапной выемке разносортных руд;

. - способ крепления выработок, включающий пространственную конструкцию из анкеров, подхваты, опорные элементы и сами укрепляемые породы, создающий единую систему "порода-крепь";

- рекомендации по поддержанию горно-капитальных выработок, обеспечивающие их длительную эксплуатацию при минимальных материальных и трудовых затратах, учитывающие изменяющееся напряженно-деформированное состояние массива, обусловленное влиянием поэтап-

ной выемки разносортных руд."

10. Использование результатов данной диссертационной работы для крепления и поддержания подземных сооружений различного назначения позволило получить экономический эффект,.подтвержденный актами внедрения, в сумме 2,2 млн.руб. (в ценах 1980-90гг.).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Широков А.П., Лидер В.А., Дзауров М.А. и др. Анкерная крепь: Справочник. М.: Недра, 1990. - 205 с,

2. Каргинов К.Г., Кузнецов А.Г., Рева В.П., Дзауров М.А. Поддержание выработок в эксплуатационном состоянии на рудниках Норильского горно-металлургического комбината. - Бюлл. Цветная металлургия. 1986, № 5, с. 1-7.

3. Дзауров М.А., Широков А.П. Классификация армополимерной анкерной крепи и области её применения. Бюлл. Цветная металлургия. 1986, № 3, с. 13-15.

4. Дзугкоев B.C., Дзауров М.А. Геомеханическое обеспечение и разработка крепи для долгодействуюдих подземных сооружений. -В кн. : "Технологические и экологические проблемы создания горно- промышленных комплексов". - Вып. I. Владикавказ, 1990, с. 3132.

5. Дзауров М.А. Высокая несущая способность армополимерной анкерной крепи. - Шахтное строительство. 1981, № 3, с. 29-30.

6. Широков А.П.,. Дзауров М.А., Каргинов К.Г. и др. Крепление горных выработок, армополимерной анкерной крепью. М.: ЦИИИЭИцветмет.- 1987, 2 вып. т 36 с.

7. Широков А.П. , Дзауров !.1.А., Пейхель Г.В. и др. Метод расчета технологических параметров анкерной крвпи. - Вюлл. Цветная металлургия. 1934, № 4, с. 30-32.

8. Липовой А.И., Дзауров М.А., Каргинов К.Г. и др. Влияние оптической разметки шпзфов на эффективность БВР при проведении выработок. - Шахтное строительство. 1978, № 8, с. 31-32.

'9. Дзауров М.А., Каргинов К.Г., Левин B.C. и др. Обоснование норм амортизационных отчислений на капитальный ремонт горизонтальных и наклонных выработок. - Бюлл. Цветная металлургия. 1989, Ш 9, с. 15-17.

10. Дзауров М.А., Мальоагов А.Д.,' Левин В.С. и др. Совершенствование сплошной системы при разработке мощных рудных тел.

- Горный журнал. 1989, № 10, с. 37-39.

11. Дзауров М.А. Поддержание капитальных выработок при поэтапной выемке разносортных руд на больших глубинах. - В кн.: Горное давление и технология подземной разработки руд на больших глубинах. М.: ИПКОН АН СССР, 1990, с. 146-150.'

12. Соколов А.Е., Дзауров М.А. Распределение напряжений в армополимерной анкерной крепи. - Деп. в ЦНИИЭИцветмет № 1610 - 87, опубл. в ВИНИТИ, № 10, 1987. - 20 с.

13. Дзауров М.А. Охрана долговременных, подземных сооружений.

- В кн.: "Технологические и экологические проблемы создания подземных горно-промыгаленных комплексов". - Вып. 2. Владикавказ,1992, с. 42-47.

14. Дзауров М.А. Крепление и поддержание подземных сооружений и управление давлением горного массива. - В кн.: "Технологические и экологические проблемы создания горнг-промышленных комплексов". - Вья. I. Владикавказ, 1990, с. 38-39.

15. Технологическая инструкция 'по возведению крепей на рудниках Норильского комбината. Норильск, 1987. - 94 с.

16. Дзауров М.А. Исследование работоспособности армополимерной анкерной крепи горных выработок. - Шахтное строительство. 1983, № 6, с. 14-15.

■ 17. Дзауров М.А. Полимерный состав для закрепления армирующих стержней в шпурах. - Безопасность труда в промышленности. 1986, № 3, с. 34.

18. Дзауров М.А., Мальсагов А.Д., Выскребенец А.С. Механизация возведения крепей подземных сооружений. - Шахтное строительство. 1989, № 10, с. 28-29.

19. Дзауров М.А., Бергер М.Г. К методике натурных микропетрографических исследований зоны неупругих деформаций вокруг подземных выработок. - В кн. Материалы научно-технической конференции, посвященной 60-летию Северо-Кавказского горно-металлургического института. Владикавказ, 1991, с. 70-72.

20. Дзауров М.А.'Исследование и анализ факторов, влияющих на параметры крепи действующих выработок. - В кн.: "Комплексное освоение месторождений твердых полезных ископаемых". - Вып. I. М.:Недра, 19Э1, с. 258-261.

21. Широков А.П., Дзауров М.А. Контрольно-измерительные приборы для анкерной крепи. - Билл. Цветная металлургия. 1986, № 7, с. 14-15. * .

22. Широков А.П., Давыдов В.В., Дзауров М.А. Армополимерная анкерная крепь. - Уголь Украины. 1977, № 12, с. 8-12.

23. Широков А.П., Лидер В.А., Пустобриков В.Н. , Дзауров М.А. Влияние различных факторов на прочность закрепления сталеполимер-ных анкеров. - Шахтное строительство. 1979, № 8, с. II—13.

24. A.c. II8052I СССР, МКИ Е21Д 21/00. Состав для закрепления армируемых стержней в шпурах /М.А.Дзауров, К.Г.Каргинов,

А.Г.Кузнецов и др. - Опубл. в Болл.№ 35, 1985.

25. A.c. I257I96 СССР, МКИ К21Д 21/00. Состав для закрепления анкеров /М.А.Дзауров - Опубл. в Боля. № 34, 1986.

26. A.c. 1446327 СССР, МКИ Е21Д 20/00. Способ установки ар-мополимерного анкера. /U.A.Дзауров, В.Н.Олейников, А.Г.Кузнецов.-Опубл. в Билл. № 47, 1938.

27. A.c. I66I43I СССР, МКИ Е21Д 11/00. Пнев.монагнетатель для смешивания и подачи растворов в полости. /М.А.Дзауров, А.С.Выскребенец, А.Д.Мальсагов и др. - Опубл. в Еюлл. № 25, 1991.

28. A.c. 1666727 СССР, МКИ E2IC 41/06. Способ разработки мощных месторождений. /В.С.Левин, А.Д.Мальсагов, М.А.Дзауров и др. - Опубл. в Еюлл. № 28, 199I. •

29. A.c. 1724834 СССР, МКИ 5 Е21Д 20/00. Способ крепления горной выработки./М.А.Дзауров, В.С.Дзугкоев, А.Д.Мулухов. -Опубл. в Еюлл.. 'i 13, 1992.

■ 30. A.c. СССР по заявке I* 4906539 от 31.01.91. положит.pera, от 30.07.91. Малина для приготовления и.подачи полимерной смеси в полости./А.С.Выскребенец, М.А.Дзауров, А.Д.Мальсагов и др.

31. A.c. СССР по заявке Jí 4916836 от 5.03.91, положит.реш. от 23.10.91. Способ закрепления анкеров. /А.Д.Мальсагов,

М.А. Дзауров.

32. A.c. СССР по заявке № 4906539 от 30.01.91, положит.реш. от 30.07.91. Машина для набризгбетонирования горных выработок. /М.А.Дзауров, А.С.Выскребенец, А.Д.Мальсагов и др.

33. A.c. СССР по заявке А® 4916836 от 5.03.91, положит.реш. от 23.10.91. Устройство для закрепления анкеров. /А.Д.Мальсагов, М.А.Дзауров.

34. A.c. СССР по заявке № 4892195 от 17.12.90, положит.реш. от 30.10.91. Способ разгрузки выработки от напряжений./М.А.Дэа-уров, Б.В.Федоренко, В.Н.Олейников и др.

Подписано в печать 10.01.1993г.Объем 2,5 п.л., заказ 15-93,

тираж 100 эка. Бесплатно.

Ротапринт ИПКОН РАН.Москва, Крюковский тупик,4