автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Разработка способов повышения устойчивости горизонтальных выработок в зонах текстонических нарушений месторождений

2 7 МАИ Ш7

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ

УСТОЙЧИВОСТИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В ЗОНАХ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ УДАРООПАСНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 05.15.04 - "Строительство шахт и подземных сооружений", 05.15.11 - "Физические процессы горного производства"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сан кт-Петербу рг 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном

институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете).

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Трушко Владимир Леонидович,

доктор технических наук, профессор Протоееня Анатолий Григорьевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ардашев Константин Аркадьевич,

кандидат технических наук, доцент Антонов Александр Александрович

Ведущее предприятие: РАО "Норильский Никель" АО "Институт Гипроникедь".

Защита диссертации состоится "б " июня 1997 г. в 13 ч. 15 мин. на заседании диссертационного совета Д. 063.15.03 при Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199026 Санкт-Петербург, 21 линия, д. 2, зал заседаний № 2 (портретная галерея).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан II апреля 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент

У В.И. ОЧКУРОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Быстро растущая потребность в алюминии на мировом рынке потребовала интенсификации добычи бокситов на шахтах Североуральского бокситового бассейна, являющихся основным источником бокситов России

В результате глубина добычи бокситов достигла 800 м, а строительство новых горизонтов глубины 1000 м при значительном ухудшении горнотехнических условий проведения и поддержания горных выработок. Появились динамические формы проявлений горного давления, особенно в зонах тектонических нарушений.

Североуральские бокситовые месторождения имеют блоковое строение и характеризуются большим количеством дизъюнктивов и многообразием форм их проявлений. При ведении горных работ выявлено более десятка разрывных нарушений с амплитудами в сотни метров, около 150 нарушений с амплитудами более 5 и и свыше полутора тысяч дизъюнктивов с амплитудами до 5 м. В пределах шахтных полей СУБРа зарегистрировано 15 активных тектонических нарушений. Более 86 % динамических проявлений горного давления произошли в зонах тектонических нарушений.

Ежегодно на шахтах ОАО "Севуралбокситруда" проходят свыше 40 км подготовительных выработок и около 3 км капитальных выработок. Около 11 % (4,4 км) протяженности вновь проводимых подготовительных выработок находятся в зонах тектонических нарушений (ТН) их устойчивость не всегда удается обеспечить традиционными видами крепей. Также применяемые конструкции крепей в зонах тектонических нарушений не учитывают особенности их строения и динамические формы проявления горного давления. В среднем ежегодно прямые затраты на крепление подготовительных выработок в зонах тектонических нарушений составляют около 1260000 тыс. руб.

Поэтому обоснование способов повышения устойчивости горизонтальных выработок в зонах тектонических нарушений удароопасных месторождений является актуальной задачей.

Цель работы. Разработка способов и средств повышения устойчивости горных выработок в зонах тектонических нарушений рудных месторождений.

Идея работы заключается в повышении устойчивости горных выработок путем применения рациональных видов и параметров крепей, определяемых на основе учета особенностей проявлений горного давления в тонах тектонических нарушений.

Задачи исследований: 1. Изучение особенностей строения и распределения зон тектонических нарушений в рудных месторождениях.

2. Натурные наблюдения за проявлениями горного давления в выработках, пересекающих зоны тектонических нарушений.

3. Оценка напряженно-деформированного состояния массива пород вокруг выработок, пересекающих тектонические нарушения.

4. Разработка способов и средств повышения устойчивости горных выработок в зонах тектонических нарушений.

Методы исследований: При выполнении исследований использовался комплекс методов, включающий обобщение результатов ранее выполненных исследований, визуальные и инструментальные наблюдения в натурных условиях, аналитические исследования и методы математической обработки экспериментальных исследований.

Защищаемые научные положения: 1. Характер проявлений горного давления в выработке, находящейся в зоне влияния тектонического нарушения, определяется характеристикой массива и тектонического нарушения и величинами концентраций напряжений в этой зоне.

2. Расчет прочности и смещения кровли выработок в зонах влияния тектонических нарушений должен учитывать фоновые тектонические напряжения, динамические воздействия и расслоение массива вмещающих пород.

3. Устойчивость горных выработок в зонах влияния тектонических нарушений обеспечивается выбором рациональных форм поперечного сечения, вида и параметров крепи, учитывающих трещиноватость массива пород, статическое, динамическое и тектоническое поля напряжений.

Достоверность научных результатов обеспечивается системным характером исследований, хорошей сопоставимостью результатов аналитических и экспериментальных исследований, положительным опытом использования результатов работы в производстве.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

1. Уточнена классификация тектонических нарушений по характеру распределения напряжений в массиве и степени его нарушенности;

2. Определены типы тектонических нарушений, которые характеризуются различным сочетанием в крыльях ТН трех аномальных зон:

- зоны фоновой трещиноватости и фоновых напряжений.

- зоны повышенной трещиноватости и повышенных напряжений;

- зоны интенсивной трещиноватости и пониженных напряжений;

3. Разработан метод расчета напряженно-деформированного состояния кровли выработки в зонах тектонических нарушений, учитывающий тип нарушений и степень расслоения массива пород.

Практическое значение работы заключается в:

- разработке методики расчета параметров крепи выработок в зонах тектонических нарушений при статических и динамических формах проявлений горного давления;

- создании конструкций крепей выработок на основе принципа модификационности, позволяющем оперативно изменять параметры крепи в соответствии с изменением напряженно-деформированного состояния горного массива в зоне влияния тектонического нарушения;

- снижении затрат на крепление и поддержание выработок и повышении безопасности ведения горных работ в зонах влияния тектонических нарушений путем выбора рациональных способов обеспечения их устойчивости.

Личный вклад автора диссертационной работы заключается в сборе и обобщении экспериментальных материалов, разработке методики и выполнении натурных исследований, аналитической оценке напряженно-деформированного состояния массива пород и разработке практических рекомендаций.

Реализация результатов работы: Результаты исследований используются на действующих и строящихся горизонтах шахт Североуральского бокситового бассейна, что позволило снизить затраты на крепление и поддержание подготовительных выработок в среднем на 20-30 %.

Основные положения диссертационной работы использованы при составлении "Инструкции по креплению полевых горизонтальных и на-

клонных выработок шахт Североуральского бокситового бассейна", Санкт-Петербург, 1996 г.

Апробация: Содержание и основные положения работы обсуждались на научных конференциях молодых ученых и студентов СПГГИ (ТУ) им. Г.В. Плеханова "Полезные ископаемые России и их освоение" (С.Петербург 1996,1997), на заседаниях кафедры Строительства горных предприятий и подземных сооружении СГОТИ(ТУ) и научно-технического совета ОАО "Севуралбоксигруда".

Публикации: Основное содержание диссертации опубликовано в трех работах.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и рекомендаций, изложенных на 1?-?стр. машинописного текста, содержит 2 ¡таблицу, 42 рисунка, список литературы из 89 наименований.

В первой главе выполнен анализ способов обеспечения устойчивости горизонтальных выработок в зонах тектонических нарушений и причин динамических явлений в условиях Североуральских месторождений бокситов. Сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе приведены результаты натурных исследований устойчивости выработок в зонах тектонических нарушений при динамических формах проявления горного давления. Изложена комплексная методика исследования напряженно-деформированного состояния массива и устойчивости выработок в зонах тектонических нарушений, приведены результаты шахтных экспериментов.

В третьей главе осуществлена постановка задачи теоретических исследований напряженно-деформированного состояния массива вокруг подготовительных выработок при различных соотношениях главных напряжений. Разработана методика расчета оптимальных параметров упрочняющих крепей для слоистой кровли выработок в зонах тектонических нарушений.

В четвертой главе приведены рекомендации по выбору параметров и рациональных конструкций сейсмостойких упрочняющих крепей, сформулированы принципы проектирования упрочняющих и поддерживающих крепей на основе их модификационности.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

]. Характер проявлений горного давления в выработке, находящейся в зоне влияния тектонического нарушения, определяется характеристикой массива и тектонического нарушения и величинами концентра-ций напряжений в этой зоне.

Геология месторождений Северного Урала подробно рассмотрена в работах Бушнского Б.И., Гладковского А.К., Гуткина Е.С., Шарова А.К., РодченкоЕ.М. Тектонические структуры бокситовых месторождений Североуральского бассейна, определяются в основном дизъюнктивными нарушениями. В строении рудных полей участвуют тектонические нарушения первого порядка - крупные нарушения протяженностью 5-10 км обычно дорудного происхождения, второго порядка - крупные пострудные нарушения, выявленные геологоразведочными скважинами, третьего порядка - небольшие пострудные нарушения, вскрываемые горными работами.

По количеству и разнообразию амплитуды тектонических нарушений изменяются от 2 до 490 м. Преобладают тектонические нарушения, ориентированные в субмеридианальном направлении и направлении юго-запад - северо-восток с углами падения 70-85°. Расстояние от очагов динамических явлений до тектонических нарушений изменяется от 5 до 30 м и связано с зонами повышенных напряжений массива пород.

Динамические формы проявлений горного давления отмечаются на СУБРе с 1972 года, чаще всего они имеют место в районе сопряжений выработок. Основной причиной динамических проявлений горного давления являются тектонические нарушения. Это подтверждает анализ материалов Службы прогнозирования и предупреждения горных ударов и горного давления ОАО СУБР. В пределах шахтных полей СУБРа зарегистрировано 15 активных тектонических нарушений разного типа: 13 сбросов и 2 взброса. Вскрыты 240 тектонических нарушений с амплитудами более 10 м и сотни более мелких.

Массив горных пород имеет сложное блоковое строение и характеризуется крайне неравномерным полем напряжений. Оно определяется составляющим полем тектонических напряжений, которое весьма неоднородно даже в пределах шахтного поля как по величине составляющих, так и

по направлению их действия. На глубинах 350-1170 м в наиболее представительных литологических типах пород институтом ВНИМИ методом полной разгрузки зафиксированы максимальные горизонтальные напряжения, близкие к широтным ст, = 37-85 МПа, что в 1,3-5,0 раз больше гравитационных напряжений о2 = уН. Минимальные напряжения ст3 = 25-68 МПа, ориентированы в субмеридиальном направлении, а вертикальные напряжения близки к гравитационным ст2 = 31-75 МПа.

Для шахтных полей Североуральского бокситового бассейна усредненное соотношение между главными напряжениями в нетронутом массиве равно:

<*1: <т2 <*э = 1,3 уН : 1,0 уН : 0,9 уН

По результатам обследования выработок и анализа динамических явлений установлено, что чаще всего обрушения пород из боков и кровли выработок наблюдаются при пересечении ими тектонических нарушений. При обследовании выработок в районах тектонических нарушений отмечены зоны, где нарушенность отличается от фоновой и повышается опасность вывалов. В районах тектонических нарушений с небольшой амплитудой смещения крыльев зафиксированы протяженные (до 20 м) зоны повышенной трещиноватости пород.

Трещиноватость массива пород является информацией по прогнозированию расположения тектонического нарушения относительно проводимой выработки и ориентировке поля напряжений, обусловивших образование трещин.

Для выявления закономерностей и особенностей проявлений горного давления в выработках, пересекающих тектонические нарушения, был выполнен комплекс натурных измерений:

- трещиноватости массива в районе тектонического нарушения,

- напряженного состояния прикошурной зоны массива пород методом щелевой разгрузки;

- напряжений в призабойной зоне методом частичной разгрузки на большой базе;

Массовые визуальные наблюдения с простейшими инструментальными замерами обеспечили сбор представительного объема информации по поддержанию выработок и факторов, обуславливающих потерю устойчивости выработок в зонах тектонических нарушений

.Замерные станции по наблюдению за смещениями и расслоением вмещающих пород представляли расположенный в поперечном сечении 8

выработки веер скважин пятиметровой глубины диаметром 60 мм, которые оборудовались глубинными реперами. Веер состоял из 5 скважин - две горизонтальные в боках, две под углом 45° в кровле и одна вертикальная в вершине свода выработки. У тектонического нарушения первую пару вееров скважин располагали параллельно плоскости сместителя на расстоянии 1-3 м от него в обоих крыльях тектонического нарушения. Вторую пару на расстоянии 2 N, где N - нормальная амплитуда смещения тектонического нарушения, а третью за зоной влияния разрывного нарушения (не меньше 6 N от тектонического нарушения). Конвергенция контура выработки имеет очень большой разброс значений, от 2-3 мм до 10-12 мм, а в отдельных случаях до 32 мм. Увеличение смещений наблюдается вблизи тектонических нарушений.

Оценка трещиноватости массива включала в себя изучение закономерностей распределения зон аномальной (повышенной по отношению к вмещающему массиву) экзогенной (тектонической) трещиноватости, определение параметров ориентировки и интенсивности трещиноватости, описание характера наблюдаемых трещин: их раскрытия, строения стенок, минерализации, протяженности, выдержанности, особенности соотношения с трещинами других систем. По измерению интенсивности трещиноватости массива определялась зона влияния аномальной трещиноватости разрывного нарушения, где трещиноватость усиливается за счет увеличения количества трещин в пределах каждой из систем и за счет появления новых систем трещин, возрастает вероятность вывалов и обрушений. Прогнозирование местоположения зон повышенной трещиноватости и плоскости тектонического нарушения позволило оперативно осуществлять противоударные мероприятия, выбирать параметры крепи, гарантирующие устойчивость горных выработок.

Изучением тектонической трещиноватости занимались Любич В.Е., Мишин Н.И., Гарбер И.С., Григорьев В.Е., Дупак Ю.Н., Иванов Г.А., Муди Дж.Д., Хилл М.Дж., Пэк A.B., Лисицын ЕЕ., Забродин A.C. и др. Нельзя сказать, что эта задача решена, в частности, не изучена генетическая связь тектонических нарушений и сопутствующей им трещиноватости.

Изучение трещиноватости в зоне тектонического нарушения показало, что ориентация систем трещин, связанных с образованием разрывного нарушения, зависит от типа этого нарушения, величины и направления действия главных напряжений в массиве пород. Установлено соответствие азимутов простирания основных систем трещин и плоскостей тектонических нарушений:

-системытрещин: 80-100°; 150-180°; 200-230°.

-тектоническиенарушения: 65-100°; 140-180°; 220-240°.

Это дает возможность прогнозировать встречу выработки с тектоническим нарушением по результатам геологической съемки фактической трещиноватости пород в призабойной зоне.

Результаты исследований напряженного состояния пород методом щелевой разгрузки в зонах влияния тектонических нарушений характеризуются значительным разбросом. Один из главных влияющих факторов -повышенная трещиноватость прикошурной зоны массива, особенно вблизи от поверхностей сместителя тектонических нарушений.

Так, на расстоянии 20-50 м от сместителя наблюдается одна сопряженная с тектонически.« нарушением система трещин, с элементами залегания Ап=55-60° и а = 85-90°, а при подходе к тектоническому нарушению на расстояние 10 м и менее появляются две новых секущих системы трещин повышенной интенсивности (4-5 трещин/м), угол падения которых уменьшается до 70°.

С учетом результатов натурных наблюдений можно выделить характерные зоны, пересекаемые выработкой в районе тектонического нарушения:

I. Зона фоновой трещиноватости и фоновых напряжений. Представлена эндогенными и техногенными трещинами. Эндогенные трещины связаны со слоистостью и обрываются на границах слоев. По отношению к напластованию располагаются субпараллельно или субперпендикулярно, реже наклонно. Техногенные трещины, или трещины механической разгрузки, возникают как результат уменьшения фонового поля напряжений при проведении выработки и воздействия детонации при разрушении массива пород. Распространение этих трещин вглубь массива носит локальный характер. Типичный признак этих трещин - неровность стенок и общая пространственная ориентировка относительно обнаженной поверхности.

II. Зона повышенной трещиноватости и повышенных напряжений массива пород . Возникает как результат снижения несущей способности пород с повышенной (по сравнению с фоновой) трещиноватостью у плоскости разрывного нарушения. Располагается на расстоянии от 20-30 м от плоскости нарушения крупных тектонических нарушений до 1-3 м у мелких тектонических нарушений. За границу этой зоны следует принимать наиболее удаленное от тектонической трещины место, где начинают появляться системы трещин, отсутствующие в области нарушенного залегания.

Ш. Зона интенсивной трещиноватости и пониженных напряжений. По мере приближения к плоскости тектонического нарушения наблюдается увеличение частоты трещин в каждой из фоновых систем трещин, а

также появление систем трещин, генетически связанных с тектоническим нарушением и отсутствующих вне области влияния тектонического нарушения. Максимальное количество трещин, генетически связанных с тектоническим нарушением, зафиксировано в непосредственной близости от сместителя. Повышение интенсивности трещиноватости по мере приближения к сместителю характерно для всех типов тектонических нарушений, независимо от амплитуды. Из отмеченного выше следует, что по мере приближения забоя выработки к тектоническому нарушению наблюдается увеличение количества трещин в пределах каждой из систем ранее наблюдаемых, и за счет появления новых систем трещин, генетически связанных с тектоническим нарушением и отсутствующих в области нормального залегания пород.

Напряженное состояние пород по мере приближения к тектонической трещине сначала в зоне II возрастает, а затем в зоне III снижается.

2. Расчет прочности и смещения кровли выработок в зонах влияния тектонических нарушений должен учитывать фоновые тектонические напряжения, динамические воздействия и расслоение массива вмещающих пород.

Анализ литературных источников показал, что общепринятых методик расчета динамических напряжений и определения параметров упрочняющих крепей в кровле выработок при воздействии динамических явлений до настоящего времени не разработано. Для диапазона амплитудно-частотных характеристик динамических явлений предлагается использовать метод, исследующий процессы колебаний приконтурной зоны пород совместно с окружающим ее массивом. Этот подход представляется наиболее перспективным и получил развитие в работах Кришена В.Ф., Мигирен-ко Г.С., Родосского В.А., Тимошенко С.П., Пановко Я.Г., Губановой И.И., ТрушкоВ.Л. и др,

Согласно геологическому строению кровля выработок представлена слоистыми породами при мощности непосредственной кровли до 4 м, а ширина подготовительных выработок достигает 4-5 м, очистных - 6-7 м. При таких отношениях мощности пород непосредственной кровли к ширине выработки от (1-1,25) до (1,5-1,75) ее можно рассмотреть как короткую балку-полоску.

В зависимости от типа тектонического нару шения и ширины зоны сместителя можно выделить три варианта расчетной схемы (рис. 1):

а) в виде консольной балки-полоски, с жестко защемленным концом и отсутствием продольной сжимающей силы (рис. 1,а) - при большой ширине раздробленной зоны и отсутствии контакта пород между крыльями тектонического нарушения;

б) в виде консольной балки-полоски с жестко защемленным концом и наличием продольной сжимающей силы (рис. 1,6)- при малой ширине зоны сместителя тектонического нарушения и возможности контакта пород между крыльями тектонического нарушения;

в) в виде консольной балки-полоски с жестко защемленным концом и наличием внецентренно приложенной продольной сжимающей силы (рис. 1, в) - при средней ширине зоны сместителя и возможности частичного контакта пород между крыльями тектонического нарушения в процессе деформирования пород кровли.

В соответствии с расчетными схемами рис. 1 рассмотрим динамическое воздействие на упрочненную зону пород кровли.

Дифференциальное уравнение, описывающее процесс колебаний консольной балки-полоски с учетом бокового распора запишем:

гч UU ГГ, // Q ~ D Uix)+ Т üix>+ —и = 0 <D

где: Q - вес пород упрочненной зоны и в зоне возможного обрушения; о - прогиб; D - жесткость балки-полоски; Т - продольная сила; g -сила тяжести.

Максимальная динамическая составляющая смещений пород на контуре выработки вызывается той гармоникой возмущающей силы, частота которой наиболее близка к собственной частоте колебаний упрочненной зоны пород кровли. Поэтому определяются оптимальные значения параметров расположения и несущей способности штанг по условию минимизации прогибов кровли, при которых частота собственных колебаний пород в упрочненной зоне будет выше частоты вынужденных колебаний массива пород, вызванных динамическим воздействием и приближение к резонансу в кровле может произойти только в области очень малых энергий динамических явлений (Е < 102 Дж), при которых обрушение пород кровли мало вероятно.

а <кх)

г П

Рис 1. Варианты расчетных схем упрочненной зоны пород: а - при отсутствии контакта пород в зоне сместителя ТН; б - при полном контакте пород в зоне сместителя ТН; в - при частичном контакте пород в зоне сместителя ТН.

со > (О0 , (2)

где, <в - частота собственных колебаний пород в упрочненной зоне; оо0 - частота вынужденных колебаний массива пород.

Затем рассчитываются действующие в кровле выработок суммарные напряжения с учетом динамической составляющей и оценивается устойчивость пород в упрочненной зоне.

В результате решения уравнения (1) получены формулы для расчета несущей способности штанг усиления.

3. Устойчивость горных выработок в зонах влияния тектонических нарушений обеспечивается выбором рациональных форм поперечного сечения, вида и параметров крепи, учитывающих трещиноватость массива пород, статическое, динамическое и тектоническое поля напряжений.

Устойчивость горных выработок в условиях динамических форм проявлений горного давления обеспечивается различными способами:

1) рационально перераспределяющими и снижающими напряжения в массиве пород, окружающем выработку;

2) снижающими способность горных пород к накоплению потенциальной энергии упругого сжатия в приконтурной зоне;

3) применением сейсмостойких, упрочняющих и податливых крепей, создающих демпфирующую зону в закрепном пространстве.

В работах Турчанинова И.А., Трушко В.Л., Пасиченко Ю.К., Сафронова В.Г., Краюхина С.Г., Микулина Е.И. подтверждена рациональность применения полигональных форм поперечного сечения выработок при неравнокомпоненгном поле напряжений. При горизонтальном направлении максимальных главных напряжений рекомендуется симметричная шатровая форма, при наклонном не симметричная шатровая форма сечения со смещением вершины шатра от оси выработки на 15-25°, секторная и др.

Неровности контура выработок вызывают дополнительную концентрацию напряжений, что может явиться причиной динамических проявлений горного давления. В работах Протесе ни А.Г. аналитическим методом установлено, что концентрация динамических напряжений вокруг выработок различного очертания с неровным контуром в 2-3 раза выше по сравнению с гладким контуром.

Исследования напряженно-деформированного состояния массива пород вокруг выработок сложной геометрии контура поперечных сечений

проводились методом конечных элементов, реализованным в варианте метода перемещений. Использовались алгоритм и программа решения двумерной задачи механики сплошных сред, в которой задаются геометрия контура выработки и деформационные параметры массива пород. Задача решалась при различных соотношениях главных горизонтальных и вертикальных напряжений, высоты и ширины поперечного сечения выработок.

Влияние подъема "шатра" оценивалось по изменению тангенциальных напряжений в одних и тех же элементах контура выработки: на ее оси (вершина "шатра"), в 1/4 пролета и в точке сопряжения "шатра" и стенки выработки. На основании результатов расчета для выработок шатровой формы поперечного сечения рекомендуется рациональное отношение высоты выработки к ее ширине в диапазоне 0,5-0,6.

Для правильного выбора вида и параметров крепи горных выработок уточнена классификация тектонических нарушений, в которой выделено три их типа:

I тип тектонического нарушения. Зона дробления у тектонического нарушения отсутствует, шов сомкнут и имеет ширину до 5 см, а с обеих сторон тектонического нарушения расположены плотные крепкие породы, находящиеся в допредельном напряженном состоянии и способные воспринимать дополнительные напряжения от проведения горной выработки.

И тип тектонического нарушения. У шва тектонического нарушения шириной 20-50 см, обычно обводненного, иногда раскрытого, находится зона дробления шириной около 2-3 м, представленная обломочными несвязанными породами или скрепленными пластичным глинистым или сланцевым заполнителем, а также выветренными интенсивно трещиноватыми породами. По обе стороны тектонического нарушения формируется зона разгрузки протяженностью до 2-3 м в каждом крыле.

III тип тектонического нарушения. В крыльях тектонического нарушения расположены существенно разные по свойствам породы в одном крыле плотные крепкие, склонные к хрупкому разрушению, в другом трещиноватые разупрочненные породы, склонные к пластическому деформированию, формирующие зону разгрузки протяженностью порядка 2-3 м, а дальше плотные крепкие породы способные накапливать энергию упругого деформирования и разрушаться хрупко. Такое сочетание пород характерно для тектонических нарушений с большими амплитудами (обычно больше мощности рудного тела в несколько раз) или в случаях прохождения тектонического нарушения через зоны геологических аномалий с резко меняющимися типами пород.

На шахтах СУБРа применяются различные крепи: штанговая, комбинированная "штанга - набрызгбетон", монолитная бетонная, металлическая арочная податливая из СВП, деревянная рамная крепи. Применяемые в зонах тектонических нарушений конструкции крепей спроектированы без учета динамических форм проявлений горного давления. Существенная изменчивость свойств и напряженного состояния массива пород по длине горной выработки затрудняет в большинстве случаев надежное прогнозирование состояния ее устойчивости, а значит и выбор наиболее рационального вида и параметров крепи.

Поэтому принципы проектирования упрочняющих и поддерживающих крепей выработок в зонах тектонических нарушений должны отвечать требованиям модификационности то есть принятая в качестве типовой крепь должна допускать оперативное изменение (модификацию) ее параметров без существенного изменения конструкции элементов и технологии крепления. Это качество особенно принципиально для сейсмостойких крепей, предназначенных обеспечивать наряду с другими методами устойчивость выработки в зонах существенного влияния сейсмических воздействий.

Для этих целей разработаны конструкции штанг, быстро вступающие в работу.

Комбинированная железобетонная штанга представляет собой конструкцию, имеющую в качестве арматуры серийную клинощелевую металлическую штангу с измененным клином. Такая арматура кроме обычного закрепления в скважине клинощелевым замком дополнительно соединяется по всей длине с массивом пород цеменгно-песчаным раствором, заполняющим скважину до введения в нее штанги.

Трубчатая гидрораспорная штанга, имеющая контакт с породой в скважине по всей длине , вступающая в работу сразу после установки и обладающая высокой технологичностью возведения, может бьггь применена как сейсмостойкая крепь.

Для крепления выработок в зонах с динамическими проявлениями горного давления, разработано пять классов (14 вариантов) сейсмостойких крепей. В основу предложенных паспортов крепления положен моди-фикационный принцип, согласно которому работоспособность крепи, составляемой го небольшого числа типовых элементов, можно повышать за счет увеличения количественных параметров (плотности расстановки штанг, толщины набрызгбетона и его геометрических характеристик).

Предлагаются следующие параметры крепи: длина штанг от 1,8 до 2,5 м с плотностью расстановки 1 - 2,8 шт./м2, совместно со штанговой

крепью усиления, устанавливаемой на расстоянии до 3 м от сместителя в один или два ряда с параметрами: длина штанг 3,5 - 4 м, с несущей способностью, определяемой расчетом (от 40 до 300 кН). В наиболее сложных условиях применяют набрызгбетонное покрытие толщиной от 3 до 10 см в сочетании с металлической решетчатой затяжкой и подхватами.

Для обеспечения устойчивости горных выработок в зонах сместителя разработаны четыре основные конструкции поддерживающих крепей, каждая из которых может быть жесткой или податливой и выполнена в симметричном и несимметричном вариантах. Предложенные конструкции крепей используются для крепления выработок в зонах тектонических нарушений на шахтах ОАО "Севуралбокситруда".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится решение задачи повышения устойчивости выработок в зонах тектонических нарушений рудных месторождений.

Наиболее важные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Установлено, что характер проявлений горного давления в выработке, расположенной в зоне влияния тектонического нарушения определяется типом тектонического нарушения и величинами концентрации напряжений в этой зоне.

2. Уточнена классификация тектонических нарушений по характеру распределения напряжений в массиве и степени его нарушенное™. Определены типы тектонических нарушений, которые характеризуются различным сочетанием в крыльях ТН трех аномальных зон:

- зоны фоновой трещиноватости и фоновых напряжений.

- зоны повышенной трещиноватости и повышенных напряжений;

- зоны интенсивной трещиноватости и пониженных напряжений;

3. Разработан метод расчета напряженно-деформированного состояния кровли выработки в зонах тектонических нарушений, учитывающий тип нарушений и степень расслоения массива пород.

4. Предложены способы обеспечения устойчивости горных выработок в зонах влияния тектонических нарушений путем выбора рациональных форм поперечного сечения выработки, видов и параметров крепи в зависимости от напряженности и трещиноватости массива пород.

5. Предложены эффективные конструкции упрочняющих крепей, на основе принципа модификационносги обладающих возможностью опе-

ративного усиления без существенного изменения форм и размеров поперечного сечения выработок, традиционных видов и технологий возведения крепей.

6. Разработанные конструкции крепей используются на шахтах ОАО "Севуралбокситруда" при, креплении выработок в зонах тектонических нарушений, и позволяют снизить затраты на их крепление и поддержание в среднем на 20-30 %, а также повысить безопасность ведения горных работ. Основные положения диссертационной работы использованы при составлении "Инструкции по креплению горизонтальных и наклонных выработок шахт Североуральского бокситового бассейна", СПб, 1996 г.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Инструкция по креплению горизонтальных и наклонных выработок шахт Североуральского бокситового бассейна. - СПб., 1996. - 56 с (Гос. комитет РФ по высшему образованию, С.- Петербургский Гос. горный ин-т, техн. университет).

2. П.К. Тулин Принципы проектирования крепей горных выработок в зонах тектонических нарушений П Полезные ископаемые России и их освоение, научная конференция студентов и молодых ученых Санкт - Петербургского государственного горного института им. Г.В. Плеханова (технического университета): Тез. докл. - СПб., 1996. - с 89.

3. П.К. Тулин Исследование напряженно-деформированного состояния массива горных пород вокруг выработок в зонах тектонических нарушений // Сборник трудов молодых ученых Санкт - Петербургского государственного горного института (технического университета) - СПб., 1996. -с 51-53.