автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Создание методов обеспечения устойчивости горных выработок рудников в условиях формирующегося поля напряжений

На правах рукописи

Боликов Владимир Егорович

Создание методов обеспечения

устойчивости горных выработок рудников в условиях формирующегося поля напряжений

Специальность 05.15.04 -«Строительство шахт и подземных сооружений»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тула, 1998

Работа выполнена в Институте горного дела Уральского отделения Российской академии наук.

Научный консультант - заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Булычев Н.С.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. Протосеня А.Г.

докт. техн. наук, проф. Шуплик М.Н. докт. техн. наук, проф. Фотиева H.H.

Ведущее предприятие : Институт Уралгипроруда

Защита состоится « » <2£(£¿¿¿¿>31998 г. в /У час. в Тульском государственном университете, $ учеб. корпус, ауд. 101 на заседании диссертационного совета Д 063.47.01 Тульского государственного университета по адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92, учеб. корпус № 9, ауд. 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан « 1998 г.

¡/

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент ~~ о.М. Пискунов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Одной из характерных особенностей современного подземного и в особенности шахтного строительства является значительное усложнение горно-геологических условий. Поэтому успешное решение задач, связанных с обеспечением эксплуатационной надежности горных выработок и подземных сооружений, во многом зависит от совершенства используемых методов прогнозирования механических процессов в окружающих породных массивах, а также методов расчета различных подземных сооружений.

При разработке рудных месторождений системами с обрушением с прочными скальными вмещающими породами возникают серьезные проблемы по обеспечению устойчивости комплекса капитальных выработок в процессе эксплуатации и даже на стадии строительства при вскрытии глубоких горизонтов. Из 34 обследованных Институтом горного дела УрО РАН стволов на шахтах Урала в 18 произошли деформации бетонной крепи в процессе ведения очистных работ при достижении глубин 600-800 м. Аналогичные обстоятельства возникают при разработке на Таштагольском руднике и при разработке других месторождений.

Проблема обеспечения устойчивости капитальных выработок будет приобретать все большее значение в современной горной промышленности в связи с освоением глубокозалегающих месторождений со сложными горнотехническим условиями, строительством новых горизонтов на большой глубине и относится к разряду важнейших.

Для большинства железорудных и марганцевых месторождений, разрабатываемых подземным способом, характерны большие размеры рудных тел, сопоставимые с глубиной их залегания, скальные вмещающие породы с тектоническими полями напряжений, и системы разработки с обрушением вмещающих пород и образованием зон обрушения, оказывающих влияние на характер распределения напряжений вокруг капитальных выработок

Таким образом, разработка методики обеспечения устойчивости капитальных выработок для рудных месторождений представляет собой актуальную и крупную научную и техническую проблему и имеет важное народнохозяйственное значение. Решению ее и посвящена диссертационная работа.

Диссертация обобщает результаты плановых научных исследований ИГД МЧМ СССР (сегодня УрО РАН), в том числе:

«Исследование параметров рациональных видов крепи подготовительных и капитальных выработок на рудниках Казахстана» (№ гос. per. 78012978, 1981 г.);

«Исследование эффективных способов и средств поддержания капитальных выработок» (№ гос. per. 81022612,1984 г.);

«Разработка и внедрение рационального способа проходки, вида параметров крепи горизонтальных выработок» (№ гос. per. 01830031717, 1985 г.);

«Исследования по сооружению и определению нагрузок на крепь тоннелей и станций Свердловского метрополитена» (№ гос. per. 018550040, 627, 1986 г.);

«Исследования по выбору места заложения стволов шахты «Центральная ДонГОКа» (№ гос. per. 01890066375, 1989 г.);

«Определение конструкции и расчет параметров крепи ствола «К» Ма-лышевского рудника» (№ roc. per. 01880008792, 1990 г.)

Научно-исследовательские работы, выполняемые ЙГД УрО РАН в соответствии с «Основными заданиями к плану научно-исследовательских работ института на 1996 г.», утвержденными Председателем Уральского отделения РАН 17.12.95 г. : «Создание нетрадиционной технологии подземной разработки месторождений в тектонически напряженных массивах скальных пород в условиях градопромышленных агломераций» (№ гор. per. 726354827, 1996 г.).

Цель работы - разработать метод прогнозирования и обеспечения устойчивости выработок в скальных массивах горных пород на всех стадиях подземной разработки рудных месторождений системами с обрушением, что повысит технологическую надежность капитальных выработок в процессе эксплуатации и установить закономерности деформирования крепи горных выработок.

Идея работы - заключается в осуществлении выбора рационального расположения и расчета необходимой конструкции крепи горных выработок и сооружений с использованием параметров поля напряжений, формирующегося в процессе разработки месторождения.

Методы исследований - основные научные и практические результаты диссертационной работы получены с использованием: лабораторных, опытно-промышленных и теоретических исследований с применением математической статистики и механики подземных сооружений.

Работа является экспериментальной, в ней использованы методы натурных исследований с использованием замерных станций.

Научные результаты, полученные лично соискателем, и их новизна:

разработан метод определения типа крепи капитальных выработок рудников, отличающийся тем, что расчет крепи, необходимой для обеспечения устойчивости выработок производится с учетом поля напряжений, формирующегося в процессе очистных работ на любом этапе разработки месторождения;

разработан метод выбора рационального расположения горных выработок с учетом стабильности тектонических структурных блоков, определяемых как на стадии строительства, так и эксплуатации рудников;

установлен механизм формирования вторичного поля напряжений в зависимости от параметров начального поля напряжений и размеров выработанного пространства, позволяющий управлять напряженно-деформированным состоянием массива горных пород, в котором расположены выработки;

разработан метод прогноза устойчивости массива горных пород вокруг незакрепленной выработки с учетом естественной трещиноватости массива;

установлены закономерности формирования напряжений в крепи стволов, камер и горизонтальных выработок при проходке в тектонически активном горном массиве, на основании которых разработаны способы управления напряженно-деформированным состоянием массива горных пород вокруг выработок с учетом технологии их проходки, включающие: оптимизацию сечения выработок в соответствии с напряженным состоянием массива горных пород, применение податливых расширяющихся составов для заполнения зацепного пространства, регулируемое отставание постоянной крепи от забоя выработки в процессе проходки;

установлено влияние разделки сопряжения на нагружение крепи ствола вблизи сопряжения, на основании чего определены основные причины разрушения крепи ствола при рассечке сопряжений на больших глубинах и разработана рациональная схема проходки сопряжений, обеспечивающая снижение напряжений в крепи ствола.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается:

представительными исследованиями закономерностей деформирования крепи и массива горных пород вокруг выработок в натурных условиях на рудных месторождениях Урала и Казахстана и статистическим анализом результатов за 30-летний период времени на 14 месторождениях, где постоянно работает более 120 измерительных станций в горных выработках;

- проведением специальных промышленных экспериментов при разработке рудных месторождений с сопоставлением результатов измеренных напряжений с расчетными;

- положительным опытом внедрения результатов работы при решении практических вопросов на стадии проектирования и промышленного использования, связанных с обеспечением устойчивости комплекса капитальных выработок на 14 железорудных шахтах;

- удовлетворительным согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований (расхождение полученных величин не превышает 20%).

Практическая ценность работы состоит в возможности использования разработанного метода оценки устойчивости капитальных выработок для решения следующих задач:

- определения на стадии проектирования горных предприятий рационального расположения стволов, камер и горизонтальных выработок;

- расчета крепи капитальных выработок при формировании вторичного поля напряжений, что позволяет повысить эксплуатационную надежность выработок на весь период отработки месторождения или горизонта;

- управления напряженно-деформированным состоянием крепи и окружающего массива вокруг горных выработок с целью снижения напряжений в крепи;

- использования отходов производства для крепления горных выработок.

Практическое использование результатов диссертации наряду с социальным эффектом, обусловленным созданием безопасных условий труда при проходке и эксплуатации горных выработок, во многих случаях обеспечивает получение экономического эффекта за счет повышения эксплуатационной надежности капитальных выработок и снижения расходов на замену крепления, а также применения облегченных видов крепи и использования отходов производства на крепление.

Реализация результатов работы. Научные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы использованы для обоснования и разработки действующих нормативных документов по проектированию железорудных шахт Урала и Казахстана.

Наряду с общим влиянием на уровень решения проблемы обеспечения устойчивости капитальных выработок на весь эксплуатационный период отработки месторождения или горизонта, результаты работы использованы с непосредственным участием автора при решении частных практических задач на предприятиях Донского горно-обогатительного комбината, Горобла-годатского рудоуправления, комбинатов Высокогорского и «Магнезит», Ма-лышевского рудника и Свердловского метрополитена.

Фактический экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы на горнорудных предприятиях Производственного объединения «Уралруда» составил 1,2 млн. руб. (в ценах 1992 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на У научно-технической конференции института ВИОГЕМ (г. Белгород, 1971 г.), на Всесоюзном семинаре «Измерение напряжений в массиве горных пород» (г. Новосибирск, 1972, 1973 гг.), на Всесоюзной конференции по механике горных пород (г. Тбилиси, 1985 г.), на Всесоюзных семинарах «Пути повышения эффективности способов и средств крепления и поддержания горных выработок на современном этапе развития горных работ» (г. Свердловск, 1987 г.), «Разработка и внедрение средств комплексной механизации и автоматизации проведения горных выработок» (г. Н. Тагил, 1985 г., г. Рудный, 1987 г., г. Тырнауз, 1989 г.), Международном симпозиуме «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных горно-геологических условиях» (г. Белгород, 1991 г.), 7-й Международный конгресс по механике горных пород (Германия, Аахен, 1993 г.), Международном симпозиуме по применению компьютерных методов в меха-

нике горных пород (Китай, Хиан, 1993 г.), Всесоюзной конференции «Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых» (г. Екатеринбург, 1994 г.), Международном симпозиуме РМ-95 «Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций» (г. Москва - г. Пермь, 1995 г.), Международной конференции - геомеханика в горном деле - 96 «Управление напряженно-деформированным состоянием массива скальных пород при разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений» (г. Екатеринбург, 1996 г.), X Международном координационном совещании по горным ударам (г. Екатеринбург, 1997 г.), на технических совещаниях ВПО «Союзруда» Минчермета СССР (г. Москва, 1986, 1988, 1989 гг.), ВПО «Союзшахтопроходка» (г. Москва, 1985-1990 гг.), на технических совещаниях институтов «Уралгипроруда» (г. Свердловск, 1979-1990 гг.), «Уралгипротранс» (г. Екатеринбург, 1980-1984 гг.), на технических совещаниях ПГО «Уралруда» (г. Екатеринбург, 1978-1988 гг.), ПО «Свердловскметрострой» (г. Екатеринбург, 1980-1984 гг.).

Публикация. По теме диссертации опубликовано 35 работ, в том числе три авторских свидетельства на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, изложенных на 333 страницах машинописного текста; содержит 86 рисунков, 58 таблиц, список литературы из 156 наименований и приложения.

Промышленное внедрение результатов диссертационной работы проводились на железорудных предприятиях Урала и Казахстана и ПО «Свердловскметрострой», где автор встречал поддержку и заинтересованность в реализации рекомендаций и предложений по проходке и креплению капитальных выработок, в проведении натурных измерений. Автор искренне признателен работникам горнорудных предприятий, Управления Свердловского округа Госгортехнадзора РФ, ПГО «Уралруда», институтов «Уралгипроруда», «Уралгипротранс» и коллегам по работе в Институте горного дела Уральского отделения Российской академии наук.

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность своему учителю - проф., доктору технических наук Н.П. Влоху за помощь в подготовке и завершении диссертации, а также докторам технических наук А.Д. Сашурину, A.B. Зубкову за многолетнее плодотворное сотрудничество и консультации.

Содержание работы

Обеспечение устойчивости выработок при подземной разработке заключается в сохранении формы и размеров обнажений в массиве горных пород в процессе проходки и эксплуатации.

В этом направлении имеется ряд исследований, выполненных: Булычевым Н.С., Ержановым Ж.С., Иофисом М.А., Изаксоном В.Ю., Каспарья-ном Э.В., Константиновой С.А., Турчаниновым И.А., Шафаренко Е.М.

Наиболее распространенным способом повышения устойчивости выработок является их крепление. Большой вклад в развитие современных методов расчета крепи внесли: Айталиев Ш.М., Булычев Н.С., Баклашов И.В., Джапаридзе JI.A., Ержанов Ж.С., Золотев О.М., Крупенников Г.А., Козел А.М., Кравченко Г.И., Каретников В.Н., Картозия Б.А., Либерман Ю.В., Лехницкий С.Г., Протосеня А.Г., Руппейт К.В., Юфин С.А. и др.

Исследования закономерностей формирования напряженного состояния крепи рассмотрены в трудах: Булычева Н.С., Казикаева Д.М., Козела А.М., Обручева Ю.С., Огородникова Ю.Н., РепкоАЛ., Сергеева C.B., Шупли-ка М.Н. и др.

В настоящее время выбор места заложения горных выработок и расчет крепи производится с учетом начального напряженного состояния массива горных пород. Однако отсутствуют методы количественной оценки влияния разработки месторождения - образования выработанного пространства и зоны обрушения на напряженное состояние крепи выработок и окружающего массива пород.

Накопленный в ИГД УрО РАН экспериментальный материал по установлению закономерностей взаимодействия крепи и массива горных пород и современный уровень знаний о напряженном состоянии массива горных пород дают возможность сделать очередной шаг в направлении разработки способов обеспечения устойчивости выработок, подверженных влиянию зоны обрушения при разработке мощных рудных месторождений, в крепких вмещающих породах и в тектонически напряженном горном массиве.

С целью исследования напряжений в массиве пород, вызываемых образованием зоны обрушения, используется геомеханическая модель А.Д. Са-шурина, применявшаяся ранее для изучения процесса сдвижения горных пород. При этом скальный массив пород моделируется весомой упругой однородной изотопной средой, а открытая выемка (зона обрушения ) - в каждом горизонтальном сечении - эллиптическим отверстием соответствующих размеров (рис. 1).

Геомеханнческая модель определения напряжений в массиве пород от влияния зоны обрушения

1—зона о5рушен«#-|

По 1-1

1-3 - вертикальные стволы; 4 - горизонтальные выработки; 5 - граница зоны обрушения; б - граница выемки рудного тела на горизонте; р'" - угол обрушения

Рис. 1

Принимая во внимание, что размеры выработок, находящихся в зоне влияния очистных работ, весьма незначительны по сравнению с размерами зоны обрушения, поэтому определение дополнительных горизонтальных, вертикальных и касательных напряжений, вызываемых зоной обрушения производится в точке, соответствующей центру поперечного сечения выработки.

Конечное выражение для определения дополнительных напряжений от влия1шя очистных работ для эллипса записывается в следующем виде:

ег.+сх,

2

Р п1

+

2*

я>±

рЧ

[щ+щ+щ)

= ^h +«1з) -ciXn» +>ъ)]>

(1)

где <jy, ах, txy - компоненты тензора напряжений в расчетной точке в Декартовых координатах X, Y; р, в- криволинейные координаты расчетной точки;

<Ti, о"2 - граничные условия (первоначальные напряжения) в расчетном сечении;

п\, п2, . . . , «13 - коэффициенты, определяемые параметрами эллипса, отображающего зону обрушения, и криволинейными координатами расчетной точки; а - угол от X до а\ (ось X совпадает с большой полуосью эллипса), град;

m = -—7, где а, Ъ - большая и малая полуось эллипса. а + Ь

Найденные напряжения прикладываются на бесконечности при рассмотрении расчетных схем для оценки устойчивости пород вокруг выработок, стабильности тектонических блоков и расчета крепи.

На этой основе в работе с привлечением большого объема экспериментальных и натурных данных выполнены исследования по обеспечению устойчивости горных выработок.

При выполнении исследований в диссертационной работе получены экспериментальными замерами параметры начального поля напряжений массива горных пород для шахт «Южная» Гороблагодатского рудоуправления, «Центральная» Донского ГОКа и Малышевского рудника.

Так, на шахте «Южная» Гороблагодатского рудоуправления на гор. -320 м (600 м) начальные напряжения в массиве горных пород составляют: оj = -40 МПа и а = -20 МПа, а на шахте «Центральная» Донского ГОКа: cri = -13,1 МПа и ст2 = -20,1 МПа.

Модуль деформации массива горных пород, который также необходим в расчетных схемах, принимался по методике института Гидропроект с использованием прочностных свойств для месторождений Урала и Казахстана, определенных в диссертационной работе.

Одним из факторов, определяющих устойчивость комплекса капитальных выработок, который необходимо учитывать при проектировании, является блочное строение шахтного поля на горизонте. Все месторождения полезных ископаемых расположены в верхней части Земли - литосферном слое, в котором действуют напряжения, имеющие большие отклонения от однородного распределения, приводящие к разрывным деформациям по тектоническим нарушениям.

Взаимодействие и движение блоков по их границам определяют уровень напряжений в блоках, в результате которых возникают деформации внутри блока. Обычно шахтное поле рудных месторождений разбито тектоническими нарушениями и сбросами на ряд блоков, и, естественно, деформации этих блоков окажут влияние на устойчивость комплекса капитальных подземных выработок. Необходимо произвести оценку взаимодействия блоков по плоскостям ослабления и разделить их на подвижные, малоподвижные и стабильные. С учетом такой оценки на стадии проектирования месторождения размещается весь комплекс капитальных выработок.

Оценка производится в два этапа:

первый - на период строительства месторождения с учетом первоначального напряженного состояния горного массива;

второй - на промежуточный и конечный этапы отработки месторождения с учетом напряжений, вызванных влиянием зоны обрушения.

В качестве критерия устойчивости нарушения принято соотношение силы трения N ф1 и сдвигающей силы Т, действующих вдоль контакта, названное коэффициентом устойчивости:

^ = (2)

где N = ввсо£у+рр&пгу+рё$т2у ;

Т = ^(вв-рр)5\л2у-р6ах2у\

у - угол между р и нарушением;

(р\ - угол трения по контакту;

РР = |(о"1 + ±-рг("2"б + »Л)

+ - ъ) - Л,«5 ± +

Рв= +02)(«2«8 "'УбЫ^+^Х'Уэ -И3»7)]-

ль п2,... , «9 - коэффициенты, зависящие от координат расчетной точки и параметров модели.

Устойчивыми считаются нарушения, для которых коэффициент устойчивости не меньше величины Ко , принимаемого с учетом запаса прочности больше единицы.

Куст ^ Ко . (3)

Закономерности формирования нагрузки на крепь ствола и их зависимость от технологии проведения и крепления ствола можно получить наиболее полно и достоверно с применением натурных инструментальных исследований и при выполнении промышленных экспериментов. Полученные закономерности для рудников Уральского региона можно распространить и использовать для других горнорудных предприятий, ведущих разработку в аналогичных условиях. Закономерности позволяют определить возможные способы управления напряженно-деформированным состоянием массива горных пород в процессе проходки стволов.

Формирование напряжений в крепи установлено в пройденных и строящихся стволах шахт Донского ГОКа с помощью натурных измерений на большой и малой базах. По полученным тангенциальным напряжениям в крепи пройденных стволов построены эпюры распределения напряжений по периметру стволов (рис. 2).

Наблюдается неравномерность распределения напряжений, причем максимальные сжимающие превышают минимальные в 2-3 раза и объясняется это наличием неравнокомпонентного начального поля напряжений в массиве горных пород.

По результатам экспериментальной проходки установлено, что при совмещенной схеме проведения стволов в тектонически напряженном горном массиве нагружение крепи происходит более интенсивно на первых 6,0 м от забоя ствола (70% от общего уровня напряжений) и заканчивается нагружение на расстоянии 30 м (три диаметрам ствола) (рис. 3).

Формирование напряжений в крепи клетевого ствола

Эпюры напряжений, М/7а.

Угастак разрушенного жассиёа пород.

к

¿•луЯина 6'61 ^

Д. Угасток ст&ола 8 естественном

Масенёе горных гто

¿■луГима 820 а)

Клете Вой ст$ол

4.-

§

к

0

ъ ■\>

1

ч. Ч)

с$

Ч. *

<а к

о >

.-зоо I

—

Грризонг

* *

X * X

Ь * К

-160м

Горизонт -24ОМ

Гор

изонт

-320м

Рис. 2

Зависимость напряжений в крепи от расстояния до забоя в клетевом стволе шахты «Центральная» Донского ГОКа (тюбинговые кольца № 350-374)

1 - минимальные; 2 - максимальные Рис. 3

Образование двухсторонней рассечки сопряжения ствола с горизонтом приводит к повышению концентрации горизонтальных напряжений в 1,5-1,8 раза и вертикальных растягивающих в 2,0 раза (рис. 4). Увеличение горизонтальных и вертикальных напряжений в районе сопряжения вызвано образованием зоны разрушения пород в кровле сопряжения.

Результаты математического моделирования подтверждают полученные данные в натурных условиях по формированию напряжений в районе рассечки.

Проведен анализ аварийных ситуаций, происшедших в период строительства и эксплуатации камерных выработок, расположенных в скальном тектонически напряженном массиве.

Анализ показал, что возникают сложности в обеспечении устойчивости выработок дробильно-сортировочного комплекса, находящихся в зоне взаимного влияния: ствол с камерой дробления, ствол с дозаторной камерой и др. Особенностью сооружения камерных выработок в скальном массиве является то, что выработка в первоначальный период проходится без крепления и только после отдельного этапа или в целом проведения выработки возводится постоянная крепь. Поэтому в этих условиях вокруг выработки образуется зона разрушения пород по плоскостям ослабления или системы трещин, находящейся в плоскости забоя. Размер и форма зоны разрушения пород вокруг камеры зависит от размеров блоков, образуемых системой трещин и материала заполнителя трещин и напряженного состояния горного массива, в котором проходится камера. В связи с этим предлагается производить про-

Формирование напряжений в крепи сопряжения ствола горизонтов -400 и -480 м шахты «Центральная»

т ь 1

1 о

(»3

2Г)

4 а

Б 3

—- 305-

--315—

*.з ¡г*

• 330+

&&ср,Ша .00 № №

<1 2. Ч ^ во к и -100

3 5

<5М-

втаХ

Сопряжение горизонта - 400 м

-300

Этпбг проходки 5 сопряжения

а,Ъ - в обычных условиях (сопряжение -400 м); с, с1-после предварительного упрочнения зоны разрушения пород в кровле сопряжения -480 м

Рис.4

гнозную оценку устойчивости незакрепленной выработки по размеру зоны разрушения пород.

Расчет возможной зоны разрушения пород производится в два этапа. На первом этапе определяется распределение напряжений вокруг выработки. На втором этапе анализируется условие равновесия по системам трещин, плоскостям ослабления, тектоническим нарушениям и другим структурным нарушениям. Участок массива с нарушенным равновесием и относится к зоне разрушения пород.

Исходными данными для обоих этапов расчета служат геометрические параметры камерной выработки, фактическая трещиноватость и параметры вторичного поля напряжений горного массива, в котором пройдена выработка.

Равновесие по трещинам и нарушениям оцениваются из сопоставления удерживающих и сдвигающих усилий. Сдвигающие силы Т соответствуют касательным компонентам к плоскости нарушения в рассматриваемой точке. Удерживающие силы складываются из сцепления по контакту и сил трения

Закономерности формирования напряжений на поверхности обнажения камер получены на примере камеры дробления с помощью математического моделирования.

Рассмотрен типовой способ 6-этапной послойной проходки сверху вниз камеры дробления с размерами: ширина 10, высота 18,5 и длина 28 м.

В результате моделирования установлено, что наиболее нагруженными участками оказываются: в поперечном вертикальном сечении - центр свода-выработки, в горизонтальном - верхняя часть торца камеры со стороны ствола.

Это подтверждает характер разрушения крепи камер в натурных условиях на горнорудных предприятиях.

При переходе проходки камеры с первого этапа на второй, от кругового сечения на эллипсовидный, происходит снижение концентрации напряжений в своде выработки и в дальнейшем происходит рост концентрации напряжений на всех других этапах. Чем больше по величине горизонтальное напряжение поперек камеры (ах ), тем выше коэффициент концентрации напряжений в центре свода.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что взаимное расположение камеры и ствола, а также расстояние между ними не накладывают ограничений, т. к. на расстоянии трех диаметров ствола отсутствует влияние ствола на торцевую стенку камеры.

По результатам математического моделирования получены зависимости, которые позволяют на стадии проектирования камеры дробления определить напряжения на контуре выработки на любом этапе проходки.

Пользуясь предложенной методикой, произведена оценка устойчивости пород вокруг камеры дробления гор. - 320 м шахты «Южная» Гороблагодат-ского рудоуправления на стадии строительства. Фактические напряжения, замеренные в своде камеры, подтвердили результаты моделирования. Разница величин расчетных и фактических напряжений не превышала 15%.

Таким образом, предложенная методика, проверенная в натурных условиях, применима для оценки устойчивости любых камерных выработок.

Полученные закономерности формирования напряжений в массиве пород вокруг камеры позволили разработать мероприятия по управлению на-пряженно-деформиро-ванным состоянием крепи и массива горных пород при проходке камер большого сечения.

Основными мероприятиями, направленными на снижение напряжений в крепи камерных выработок, являются:

1. Определение несущей способности крепи в соответствии с напряжениями, вызванными влиянием очистных работ.

2. Снижение величины деформации массива горных пород вокруг камеры.

3. Ориентировка камеры длинной стороной по направлению действия максимальных напряжений.

4. Оптимизация поперечного сечения и в плане камер в соответствии с действующими напряжениями в массиве горных пород.

5. Расположение камер в стабильных тектонических блоках.

В качестве экспериментальной проверки произведен расчет оптимальной формы поперечного сечения камерной выработки околоствольного двора шахты «Магнезитовая».

Повысить эксплуатационную надежность камерных выработок можно за счет рационального места расположения в тектонических блоках, оконтуренных неподвижными тектоническими нарушениями.

Для оценки устойчивости массива пород вокруг горизонтальных выработок, сооружаемых в скальном, блочном, тектонически напряженном горном массиве, можно использовать методику, предложенную в работе для камерных выработок.

Исследовано влияние структурных свойств, напряженного состояния массива горных пород и размера выработки на размер зоны разрушения пород вокруг выработки.

Влияние структурных свойств массива горных пород исследовалось для двух систем трещин в плоскости забоя, имеющих угол встречи в кровле выработки от 0 до 90° и различной интенсивности трещиноватости от 1 до 15 трещин на 1 м, т. е. размер структурных блоков колеблется от 0,06 до 1,0 м.

В расчетных схемах с различными вариациями структурных блоков в плоскости забоя напряжения на бесконечности принимались постоянными (с* : сгв = 2).

Установлено, что изменение угла наклона трещин в плоскости забоя выработки не влияет на размер зоны разрушения пород. Угол наклона трещин лишь обуславливает форму зоны разрушения пород в кровле выработки. При угле наклона от 0 до 30° форма зоны разрушения пород симметрична оси выработки и развивается в основном только в кровле. При увеличении угла наклона до 60 и 90° зона распространяется как в кровле, так и стенках выработки.

На величину зоны существенное влияние оказывает размер блоков. Так, при интенсивности трешиноватости 2 тр/м (радиус выработки 3,0 м) максимальная зона разрушения пород в кровле достигает 0,9 м, а при увеличении интенсивности трещиноватости до 15 тр/м зона разрушения пород возрастает до 2,2 м.

Влияние соотношения горизонтальных напряжений к вертикальным на размер зоны (егг: ег„) исследовалось для различных размеров горных выработок (Я = 1,0 н- 3,0 м) и постоянной трещиноватости 2 тр/м, как наиболее характерных величин для уральских железорудных месторождений.

Установлено, что при соотношении стг : ств = 2 и выработки шириной 3,0 м, размер зоны в кровле составляет 0,5 м и при увеличении соотношения напряжений до 2,5 размер зоны достигает 1,0 м.

Математическая обработка полученных данных позволила получить эмпирическую зависимость по определению размера зоны разрушения пород в кровле выработки:

¡гт = ОД + 0,22/? + 0,06./т + 0.15— м, (4)

где /г3рп - размер зоны разрушения пород в кровле выработки, м;

Я - половина ширины выработки, м;

ут - интенсивность трещиноватости горного массива в плоскости забоя, тр/м;

: сгв - отношение горизонтальных напряжений к вертикальным, действующих в массиве горных пород.

Для проверки разработанного метода оценки устойчивости горных выработок были проведены специальные промышленные эксперименты на 7 шахтах Урала и Казахстана в 36 выработках с сопоставлением результатов натурных измерений размеров зоны разрушения пород в кровле выработки с расчетными. Зона разрушения пород в натурных условиях измерялась двумя методами: электрометрическим зондированием и оптическим прибором РВП-452. Всего было произведено порядка 350 замеров в горных выработках. Коэффициент корреляции между натурными и аналитическими результатами составляет 0,93 (рис. 5). Это дает основание утверждать, что аналитический

метод прогноза устойчивости незакрепленной выработки можно применять на стадии проектирования.

Оценка устойчивости массива пород вокруг незакрепленных выработок

з: ь о о ъо

3 3" >5 о Н

о

£

Л

<У <

«О о о.

«о

Ч

о

о.

о

с.

х-

I: <и 3 У) а.

а

Си

х о ю

<х й)

г «

о.

2, ¿1 6 Ширина бырасУотки, М

8

1 - отношение высоты выработки к ширине равно единице (круговая выработка);

2 - отношение высоты выработки к ширине равно 0,67 (эллипсовидная выработка)

Рис. 5

На основании проведенных комплексных исследований разработана блок-схема по определению типа крепи для поддержания капитальных выработок с учетом вторичного поля напряжений. Блок-схема включает в себя исходные данные для расчета параметров вторичного поля напряжений, после чего определяется размер зоны разрушения пород в кровле выработки, который является основой для установления категории устойчивости массива горных пород и состояния приконтурного массива горных пород при проходке выработки. По определенной категории пород устанавливается вид крепи, необходимый для поддержания выработки. Такой подход к выбору крепи достаточен на период проектирования, но в процессе строительства необходимо уточнить и произвести расчет по методике проф. H.H. Фотиевой.

Управление напряженно-деформированным состоянием массива пород при проходке горизонтальных капитальных выработок можно разделить на два основных направления:

максимальное использование несущей способности массива пород;

управление напряженным состоянием приконтурного массива горных пород.

Максимальное использование несущей способности горного массива при сооружении капитальных выработок достигается за счет изменения его свойств конкретно повышение модуля деформации.

В диссертации разработан метод определения параметров опережающей анкерной крепи для скального блочного массива горных пород с отсутствием связи между блоками, когда обрушение пород в пределах зоны разрушения пород в выработке происходит вслед за проходкой.

Метод использован в частности при проведении станций и тоннелей Свердловского метрополитена в неустойчивом скальном блочном массиве, где трещины заполнены глинкой трения.

Одним из наиболее эффективных способов снижения напряжений на обнажении пород в капитальных выработках, сооружаемых в тектонически активных районах, где горизонтальные напряжения в 1,5-2,0 раза превышают вертикальные, является переход от выработок сводчатых к эллипсовидной форме поперечного сечения. Расчет поперечного сечения горизонтальной выработки эллипсовидной формы с учетом фактического напряженного состояния массива горных пород аналогичен камерным выработкам.

Капитальные выработки данного поперечного сечения были запроектированы и пройдены при строительстве горизонтов -240 и 320 м шахты «Южная» Гороблагодатского рудоуправления и на шахтах Высокогорского комбината.

Проведение выработок эллипсовидной формы на железорудных шахтах Урала расширила возможность использования для их поддержания облегченных упрочняющих видов крепи.

Для этих целей разработан специальный вид крепи армированный на-брызгбетоном (авторское свидетельство № 1158764, Е 21 Д20/00), имеющий очень хорошую адгезию с массивом горных пород.

Одним из эффективных путей управления напряженным состоянием массивов горных пород вокруг выработок является применение податливого закрепного пространства. Применение этого способа повышения устойчивости капитальных горизонтальных выработок сдерживается из-за отсутствия тампонажных составов, обеспечивающих полноту заполнения закрепного пространства.

Разработан ряд тампонажных составов, компонентами которых являются отходы горнорудных предприятий, и основной их особенностью является возможность создания регулируемого расширения в закрепном пространстве: фосфогипсовый состав (A.c. № 1158764); цементно-песчаный состав; безцементный тампонажный состав; керамзитобетон.

Разработана технология тампонажа закрепного пространства капитальных выработок расширяющимися составами с использованием передвижных смесителей.

Практика решения проблемы обеспечения устойчивости капитальных выработок на рудниках Урала и Казахстана подтвердила эффективность теоретических положений диссертационной работы.

При проектировании шахты «Центральная-2 очередь», строительстве шахты «Центральная» и эксплуатации шахты «Молодежная» Донского горнообогатительного комбината произведена проверка основных теоретических положений диссертационной работы:

произведен выбор места расположения и расчет крепи стволов шахты «Центральная-2 очередь» с учетом оценки стабильности тектонических блоков;

обоснована возможность повышения несущей способности крепи стволов, находящейся в предельном состоянии по несущей способности;

определены параметры усиления существующей бетонной крепи скипо-клетевого ствола шахты «Центральная» в отметках -144 -290 м;

выполнен расчет крепи для камеры дозаторов эллипсовидной формы в скипо-клетевом стволе шахты «Центральная»;

произведена оценка несущей способности крепи всех капитальных камерных и горизонтальных выработок с учетом структуры и напряженного состояния массива горных пород на шахте «Центральная» и «Молодежная», на основании чего разработана «Инструкция по выбору места и расчету крепи горизонтальных выработок для шахт ДонГОКа».

Проведенный комплекс технических мероприятий на шахтах Донского ГОКа, основанных на теоретических положениях диссертационной работы

для капитальных выработок, позволил вывести их из критического состояния в состояние эксплуатационной надежности.

Доказана возможность и целесообразность расчета крепи стволов с учетом напряжений, вызванных зоной обрушения от очистных работ, на примере шахт Гороблагодатского и Малышевского рудоуправлений.

С помощью данной методики обоснован вид крепи ствола «Южная-2» в зоне крупного тектонического разлома. Ствол пройден и закреплен чугунными тюбингами и контрольные замеры деформаций крепи подтвердили достоверность теоретических расчетов. Ствол «Южная-2» пройден до проектной отметки и напряжения в крепи в пределах расчетных величин.

Произведен расчет крепи для разрушенной части ствола «К» Малышевского рудника. Принято крепление ствола чугунными тюбингами с управлением напряженно-деформированным состоянием приконтурного массива пород в виде податливого закрепного пространства, что позволило обеспечить равномерное распределение деформаций по периметру ствола. Ствол «К» восстановлен, эксплуатируется и напряжения в крепи находятся в пределах расчетных величин.

Разработана технология тампонажа закрепного пространства расширяющимися составами и доказана эффективность их применения в выработках, пройденных в тектонически напряженных скальных породах.

Технология и составы испытаны при проходке камеры насосной гор. -80 м шахты «Северная» и обгонной выработки гор. -320 м шахты «Южная», которые в настоящее время эксплуатируется и находятся в устойчивом состоянии.

Практически подтверждена возможность и эффективность применения камер эллипсовидной формы в плане и поперечном сечении на железорудных шахтах.

Восстановлена после разрушения крепи камера дозаторов скипо-клетевого ствола в отметках -220 + -232 м шахты «Центральная».

Пройдены и закреплены камеры эллипсовидной формы в околоствольном дворе станционного типа на гор. +340 м шахты «Магнезитовая» комбината ОАО «Магнезит». В настоящее время камеры находятся в эксплуатации.

Доказана эффективность применения гибкой опережающей анкерной крепи при проходке горизонтальных выработок, камер и тоннелей по скальному, блочному, неустойчивому массиву с отсутствием связей по плоскостям ослабления.

Произведен расчет параметров гибкой опережающей анкерной крепи с учетом фактического напряженного состояния для перегонных и станционных тоннелей Свердловского метрополитена. Для удобства пользования разработаны номограммы, которые позволяют определить параметры крепи и расход материалов.

Расчет крепи ствола в зоне тектонического разлома шахты «Южная-2» Гороблагодатского рудоуправления

Напряжения в массиве горных пород, МПа

Начальные С учетом влияния очистных работ

&\ = -40 ст', = -68,8

ог = -20 а' 2 = -36,32

а= 155° а' = -124'

Расчетные и фактические напряжения в тюбингах, МПа

Расчетные напряжения тах/пнп Фактические напряжения

Замерные станции

1 2 3

-82,6/-35,3 -50 -46 -40

Рис. 6

Применение данной крепи позволило избежать внезапных обрушений пород вслед за проходкой тоннеля.

Таким образом, практическая ценность диссертационной работы состоит в использовании для расчетов крепи параметров вторичного поля напряжений, что позволяет повысить ее технологическую надежность в процессе всего периода эксплуатации.

Заключение

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором экспериментальных и теоретических исследований изложены научно обоснованные решения по обеспечению устойчивости капитальных выработок, сооружаемых в скальном блочном массиве при подземной разработке мощных рудных месторождений системами с обрушением, что вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в горнорудной промышленности.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Автором выполнены натурные исследования в течение 28 лет, установлено более 120 замерных станций в стволах, камерах и горизонтальных выработках, произведено свыше 10 ООО замеров.

2. Впервые для выбора рационального расположения выработок расчета крепи и оценки устойчивости пород вокруг выработок предложено использовать напряжения, вызванные образованием зоны обрушения в процессе разработки месторождения.

3. Установлены закономерности формирования вторичного поля напряжений в процессе разработки месторождений, позволяющие управлять напряженно-деформированным состоянием массива горных пород, где расположены выработки.

4. Разработан метод рационального расположения и оценки устойчивости капитальных выработок с учетом стабильности тектонических структурных блоков, оцениваемых на стадии строительства и на всех промежуточных этапах разработки месторождения. Неустойчивые нарушения ограничивают тектонические блоки, по которым в процессе разработки месторождения могут произойти смещения. Полностью неустойчивые тектонические нарушения располагаются вблизи контура зоны обрушения и направление их совпадает или близко к направленшо действия максимальных сжимающих напряжений в массиве горных пород.

Для расположения стволов и других выработок наиболее рациональным являются тектонические блоки, ограниченные нарушениями, сохраняющими устойчивость в процессе строительства и эксплуатации рудных шахт.

5. Разработан метод оценки устойчивости массива пород вокруг незакрепленных камер и горизонтальных выработок с учетом структурных свойств массива горных пород.

Установлено, что изменение угла наклона трещин в плоскости забоя не влияет на размер зоны разрушения вокруг выработки, а обуславливает лишь форму зоны. На размер зоны разрушения существенное влияние оказывает размер структурных блоков. Уменьшение размеров структурных блоков в 3 раза приводит к увеличению зоны разрушения пород в кровле в 1,4 раза.

Изменение соотношения горизонтальных напряжений к вертикальным {(% :а3) с 2 до 2,5 приводит к увеличению размера зоны разрушения пород в кровле в 2,0 раза.

6. Установлены закономерности формирования напряжений в крепи стволов, камер и горизонтальных выработок в процессе проходки в горном массиве с неравнокомпонентным полем напряжений.

Установлена неравномерность нагружения крепи по периметру ствола, которая согласуется с величинами начального поля напряжений, действующего в массиве горных пород. Нагружение крепи ствола при совмещенной схеме проходки происходит на расстоянии около трех диаметров ствола от забоя.

Образование двухсторонней рассечки сопряжения ствола с горизонтом приводит к увеличению горизонтальных сжимающих напряжений в крепи в 1,5-1,8 раза и вертикальных растягивающих в 2,0 раза на высоту, равную двум высотам рассечки от кровли сопряжения.

Проведение камер дробильного комплекса сверху вниз поэтапно приводит к увеличению сжимающих напряжений в кровле крепи в 1,4 раза при любых соотношениях горизонтальных напряжений к вертикальным, действующим в массиве горных пород.

7. На основе установленных закономерностей формирования напряжений в крепи капитальных выработок разработаны методы управления напряженно-деформированным состоянием крепи и горного массива с учетом формирования вторичного поля напряжений, позволяющие снизить напряжения в крепи капитальных выработок в 2,0 раза и повысить их технологическую надежность, включающие:

определение рациональных размеров поперечного сечения камерных и горизонтальных выработок эллипсовидных форм, основывающихся на равенстве соотношений размеров ширины и высоты выработки и величины горизонтальных и вертикальным напряжений;

заполнение закрепного пространства расширяющимися тампонажными составами;

создание податливого закрепного пространства на основе расширяющихся тампонажных составов;

разработку расширяющихся тампонажных составов из отходов производства и технологии тампонажа в подземных условиях;

технологию проведения и крепления стволов, заключающуюся в двухслойном возведении крепи и регулируемом отставанием крепи от забоя при совмещенном способе проходки.

8. Разработана технологическая схема проведения и крепления двухстороннего сопряжения ствола с горизонтом, включающая опережающее упрочнение массива горных пород в кровле сопряжения, что позволяет снизить горизонтальные сжимающие и вертикальные растягивающие напряжения в крепи ствола в районе сопряжения в 2,0 раза.

9. Разработаны новая конструкция армированного набрызгбетона на уровне авторского изобретения и расчет параметров опережающей гибкой анкерной крепи для крепления горизонтальных выработок, позволяющие повысить несущую способность окружающего выработку массива горных пород.

10. Внедрены рекомендации по выбору места расположения, расчета крепи и рациональных эллипсовидных форм поперечного сечения, разработанные на основе теоретических положений, сформулированных в диссертации, обеспечивших устойчивость подземных выработок в процессе строительства и эксплуатации на предприятиях Донского горно-обогатительного комбината, Гороблагодатского, Малышевского рудоуправлений, Свердловского метрополитена и других железорудных шахт Урала.

11. Результаты исследований использованы в обосновании действующих нормативных документов, направленных на обеспечение устойчивости капитальных выработок на шахтах Урала и Казахстана и являющихся обязательными для использования проектными институтами и горнорудными предприятиями при сооружении подземных выработок.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Боликов В.Е. Обеспечение устойчивости шахтных стволов в процессе строительства и эксплуатации в сложных горно-геологических условиях. //Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных горно-геологических условиях: Докл. Междунар. конфер. 20-24 мая 1991. - Белгород, 1991, т. 2, с. 95-104.

2. Боликов В.Е. Проведение стволов в породах, находящихся в запредельном состоянии /Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций: Докл. Междунар. симпозиум (РМ-95) 15-21 сентября 1995. - Пермь, 1995, с. 28-31.

3. Боликов В.Е. Теоретические основы расчета крепи стволов при формировании вторичного поля напряжений //Проблемы горного дела /ИГД УрО РАН. - Сб. научн. тр. - Екатеринбург, 1997, с. 135-142.

4. Боликов В.Е. Обеспечение геодинамической безопасности выработок и камер околоствольных дворов //Материалы X межотрасл. координац. совещ. По проблемам геодинамической безопасности. /ВНИМИ, УГТТА. - Сб. научи. докл., Екатеринбург, 1997, с. 71-75.

5. Влох Н.П., Боликов В.Е. Новая методика определения устойчивого состояния и выбора средств поддержания капитальных горных вырабо-ток//Шахтное строительство, 1983, № 1, с. 6-7.

6. Боликов В.Е., Болкисев B.C. Условия предельного равновесия пород подземных выработок //Приложение результатов исследований полей напряжений к решению задач горного дела и инженерной геологии. Изд. Кольского филиала АН СССР. - Апатиты, 1985, с. 107-110.

7. Влох Н.П., Боликов В.Е. Совершенствование технологии крепления стволов в сложных горно-геологических условиях //Разработка и внедрение средств комплексной механизации проведения горных выработок: Докл. на Всесоюзн. научн.-техн. конфер. - Рудный, 1987, с. 47-54.

8. Булычев Н.С., Боликов В.Е. Геомеханическое обеспечение эксплуатационной надежности горных выработок при разработке рудных месторождений //Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковские чтения): Докл. Междунар. конфер. 6-10 июля 1998. - Екатеринбург, 1998, т. 1, с. 38-44.

9. Булычев Н.С., Боликов В.Е. Расчет крепи вертикальных стволов шахт с учетом анизотропии напряжений в массиве //Исследование горного давления и охрана капитальных выработок: Докл. IX Всесоюзн. семинар. -Фрунзе, 1988, с. 72-76.

10. Боликов В.Е., Балек А.Е. Основы проектирования комплекса камерных выработок железорудных шахт//Проблемы горного дела: Сб. научн. тр. /ИГД УрО РАН - Екатеринбург, 1997, с. 150-160.

11. Боликов В.Е., Балек А.Е. Исследования поведения неустойчивых горных массивов при строительстве шахтных стволов //Горный вестник, 1995, № 4, с. 45-48.

12. Боликов В.Е., Феклистов Ю.Г. Определение фактической нагрузки на обделку тоннелей и станций Свердловского метрополитена//Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковские чтения): Докл. Междунар. конфер. 6-10 июля 1998. - Екатеринбург, 1988, т. 3, с. 74-81.

13. Влох Н.П., Зубков A.B., Боликов В.Е. Исследование свойств бетонной крепи стволов: Сб. научн. тр. // Строительство шахт, рудников и подземных сооружений/СГИ. - Свердловск, 1987, № 10, с.37-39.

14. Влох Н.П., Зубков A.B., Боликов В.Е. Выбор безопасных схем проведения камер //Безопасность труда в промышленности. -1988. - № 3. - С. 77-78.

15. Влох Н.П., Зубков A.B., Боликов В.Е. Повышение устойчивости крепи стволов, проводимых в анизотропно-напряженных скальных массивах //Исследование горного давления и охрана капитальных выработок: Докл. IX Всесоюзн. семинар. - Фрунзе, 1988, с. 118-124.

Уральское отделение Российской Академии Наук

Институт горного дела

На правах рукописи Боликов Владимир Егорович

Создание методов обеспечения устойчивости горных выработок рудников

в условиях формирующегося поля

напряжений

Специальность 05.15.04 "Строительство шахт и подземных сооружений"

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант доктор технических наук, профессор Н.С.Булычев

// - ; ^ ,

Екатеринбург,/9

Содержание

Введение.................................................... 3

1. Состояние проблемы обеспечения устойчивости выработок при 14 подземной разработке рудных месторождений.................

1.1. Проявление горного давления в горных выработках в процессе их 14 строительства и эксплуатации..................................

1.2. Развитие теории расчета крепи подземных сооружений............. 18

1.3. Современные теории расчета крепи и прогнозирования устойчивости 22 подземных сооружений......................................

1.4. Использование исследований геодинамического районирования недр 26 для обеспечения устойчивости крепи горных выработок.............

1.5. Основные проблемы в области обеспечения устойчивости крепи гор- 27 ных выработок на рудных месторождениях и задачи исследований ....

1.6. Выводы.................................................... 29

2. Обоснование геомеханической модели по формированию вторич- 30 ного поля напряжений для оценки устойчивости капитальных выработок..................................................

2.1. Горно-геологические условия, свойства и напряженное состояние мае- 30 сива горных пород рудных месторождений.......................

2.2. Анализ факторов, определяющих параметры геомеханической модели вторичного поля напряжений при расчете крепи и выборе места распо- ~о ложения горных выработок..................................

2.3. Исследование геометрических параметров геомеханической модели . . 41

2.4. Обоснование прочностных и деформационных свойств среды модели . 50

2.5. Определение граничных условий в массиве горных пород и задание их

на модели................................................. 54

2.6. Выводы.................................................... 58

3. Исследование основных параметров вторичного поля напряжений 60 и их влияние на проектирование комплекса подземных выработок .

3.1. Анализ основных факторов, определяющих формирование вторичного 60 поля напряжений............................................

3.2. Методика определения компонентов тензора вторичного поля напря- 63 жений ......................................................

3.3. Методика оценки стабильности структурных нарушений в процессе 67 строительства шахты.........................................

3.4. Методика оценки стабильности структурных нарушений в процессе 70 эксплуатации месторождения..................................

3.5. Выводы.................................................... 75

4. Методика выбора места расположения и расчета параметров крепи 76 стволов в условиях формирующегося вторичного поля напряжений

4.1. Анализ факторов, влияющих на устойчивость крепи стволов подземно- 76 го рудника..................................................

4.2. Оценка стабильности тектонических структурных нарушений вмещающих пород для выбора места расположения стволов............ 78

4.3. Исследования формирования вторичного поля напряжений и определение экстремальных условий для выбора и расчета параметров крепи 88

4.4. Закономерности формирования напряжений в крепи ствола и сопряжения ствола с горизонтом....................................... 108

4.4.1. ■ Методы исследования напряженно-деформированного состоя-

ния крепи и массива горных пород в стволах............... 108

4.4.2. Закономерности формирования напряжений в крепи ствола ... 114

4.4.3. Закономерности формирования напряжений в крепи сопряжения ствола с горизонтом................................ 143

4.5. Методы управления напряженно-деформированным состоянием крепи

и массива горных пород при проходке и эксплуатации ствола и сопря- , жений ......................................................

4.5.1. Исследования по разработке составов для податливого закреп-

ного пространства..................................... 157

4.6. Выводы.................................................... 163

5. Методика конструирования комплекса камерных выработок околоствольного двора.......................................... 164

5.1. Методика определения зон разрушения пород вокруг камерных выработок с учетом структурных неоднородностей горного массива и параметров вторичного поля напряжений............................

5.2. Исследование закономерностей формирования напряжений в крепи камеры дробления при проходке................................ 170

5.3. Оценка несущей способности крепи камеры дробления с учетом вторичного поля напряжений..................................... 177

5.4. Методы управления напряженно-деформированным состоянием крепи

и массива горных пород при проходке и эксплуатации камерных выра- , «л боток ......................................................

5.5. Выводы.................................................... 188

6. Методика выбора типа и параметров крепи горизонтальных выработок с учетом вторичного поля напряжений.................. 190

6.1. Аналитические исследования по определению зон разрушения пород вокруг незакрепленных выработок . V............................ 190

6.2. Методика определения зон разрушения пород вокруг выработки в натурных условиях............................................. 194

6.3. Экспериментально-аналитические исследования по сопоставлению зон разрушения пород в кровле горных выработок.................... 199

6.4. Методика выбора крепи для поддержания горных выработок с учетом вторичного поля напряжений.................................. 206

6.5. Методы управления напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при проходке горизонтальных выработок........ 209

6.5.1. Расчет параметров гибкой опережающей забивной крепи для обеспечения устойчивости горных выработок.............. 210

6.5.2. Оптимизация сечений горизонтальных выработок и применение специальных видов крепи........................... 216

6.5.3. Применение расширяющихся составов для закрепного про- 220 странства с целью снижения давления на крепь от массива горных пород............................................

6.6. Выводы.................................................... 223

7. Применение теоретических разработок при решении практических

вопросов обеспечения устойчивости крепи горных выработок на 2?5 железорудных месторождениях Урала и Казахстана.............

7.1. Решение комплекса горнотехнических задач, направленных на обеспечение устойчивости крепи стволов, сопряжений и камер в процессе строительства и эксплуатации шахт Донского горно-обогатительного комбината........................................................................225

7.1.1. Горно-геологическое строение и геомеханические условия 225 Донских хромитовых месторождений....................

7.1.2. Определение напряженного состояния и модуля деформации 231 массива горных пород Донских хромитовых месторождений . .

7.1.3. Проблемы обеспечения устойчивости крепи стволов шахт 238 «Центральная» и «Молодежная»..........................

7.1.4. Влияние технологической схемы проходки на напряженное со- 243 стояние крепи стволов...............................

7.1.5. Усиление существующей бетонной крепи скипо-клетевого 24 8 ствола шахты «Центральная»............................

7.1.6. Восстановление крепи дозаторной камеры скипо-клетевого 255 ствола ..............................................

7.1.7. Обеспечение устойчивости сопряжения ствола с околостволь- 259 ным двором в процессе проходки и эксплуатации............

7.2. Расчет крепи ствола «Южная-2» и тампонаж закрепного пространства 264 горизонтальных выработок на Гороблагодатском месторождении.....

7.2.1. Горно-геологическое строение и геомеханические условия ме- 264 сторождения.........................................

7.2.2. Расчет крепи ствола в зоне тектонического разлома и результа- 268 ты натурных наблюдений...............................

7.2.3. Технология тампонажа закрепного пространства капитальных 272 выработок шахты «Южная».............................

7.3. Расчет крепи ствола «К» Малышевского рудника.................. 277

7.3.1. Горно-геологические условия и геомеханическая модель ме- 277

сторождения

7.3.2. Расчет параметров крепи ствола «К» в разрушенной части 278 (гор. -79 - -120 м)....................................

7.4. Определение параметров и внедрение гибкой опережающей анкерной 282 крепи при проходке тоннелей и станций Свердловского метрополитена

7.4.1. Горно-геологическая характеристика и напряженное состояние 282 массива горных пород.................................

7.4.2. Определение параметров гибкой опережающей анкерной крепи 284 для тоннелей и станций.............................

7.5. Использование теоретических положений диссертационной работы в 290 нормативно-технической документации по креплению горных выработок ........................................................

7.6. Выводы.................................................... 292

Заключение....................

Список использованных источников Приложения...................

Введение

Одной из характерных особенностей современного подземного и в особенности шахтного строительства является значительное усложнение горногеологических условий. Поэтому успешное решение задач, связанных с обеспечением эксплуатационной надежности горных выработок и подземных сооружений, во многом зависит от совершенства используемых методов прогнозирования механических процессов в окружающих породных массивах, а также методов расчета различных подземных сооружений.

Затраты времени и средств на сооружение всех капитальных выработок составляют 60% общих затрат на строительство горного предприятия. Поэтому эффективная работа горнорудного предприятия во многом будет зависеть от состояния устойчивости стволов, камер и горизонтальных выработок.

Проведение выработок вызывает изменение естественного поля напряжений массива горных пород. В общем случае характер образующегося поля напряжений вокруг выработок зависит от совокупного действия многих взаимосвязанных факторов, которые можно разделить на четыре группы. Первую группу факторов составляют пространственно-геометрические параметры рассматриваемых выработок. К ним прежде всего относятся форма и размеры поперечного сечения, их ориентировка, взаимное влияние и др.

Ко второй группе относятся прочностные и деформационные характеристики пород в непосредственной близости от контура выработки, поскольку именно эта часть массива воспринимает дополнительные нагрузки при образовании выработок.

Третья группа факторов охватывает особенности естественного поля напряжений, т. е. величины, направления и соотношения между горизонтальными и вертикальными напряжениями.

Наконец, четвертую группу факторов составляют воздействия на массив горных пород вокруг выработок, вызванные очистными работами.

Учесть в равной мере все выделенные группы факторов при определении напряженного состояния пород вокруг выработок не представляется возможным. Наиболее полно могут быть учтены факторы первых трех групп, поскольку разработаны на данный период времени аналитические (на базе методов механики сплошной среды) и экспериментальные методы определения компонентов напряжений и деформаций вокруг выработок.

Четвертую группу факторов - влияние на капитальные выработки очистной выемки, учитывают лишь качественно. Аналитические методы оценки влияния факторов этой группы в настоящее время отсутствуют. Отсутствуют также какие-либо нормативные документы, учитывающие влияние выработанных пространств на расчет устойчивости капитальных выработок на стадии проектирования подземных рудников.

При разработке железорудных месторождений подземным способом системами с обрушением в крепких скальных породах влияние четвертой группы факторов на капитальные выработки является особенно значительным, так как при разработке их образуются большие по размерам зоны обрушения. На железорудных шахтах Урала и Сибири доля систем с массовой отбойкой руды (этажное принудительное обрушение, этажно-камерная система) составляет 85-90%. В Криворожском бассейне основное развитие получили варианты системы подэтажного обрушения с отбойкой руды глубокими скважинами (60-65%) и этажно-принудительное обрушение (20-25%). На рудниках горнохимического сырья (Кольский полуостров) и цветной металлургии, разрабатывающих мощные залежи крепких руд, также широко применяются системы разработки с массовой отбойкой руды глубокими скважинами.

При разработке рудных месторождений системами с обрушением с прочными скальными вмещающими породами возникают серьезные проблемы по обеспечению устойчивости комплекса капитальных выработок в процессе эксплуатации и даже на стадии строительства при вскрытии глубоких горизонтов. Из 34 обследованных стволов на шахтах Урала Институтом горного дела УрО РАН в 18 произошли деформации бетонной крепи в процессе ведения очистных работ и достижения глубин 600-800 м.

Так, например, серьезные проблемы возникли со стволом «Центральный вентиляционный» и в целом с промплощадкой через пять лет после начала разработки на Урале железорудной шахты Северопесчанской из-за просчетов при проектировании в выборе места расположения стволов. Ствол «Центральный вентиляционный» был деформирован с глубины 30 до 70 м из-за пересечения его на глубине 50 м тектоническим нарушением и в процессе ведения очистных работ возникли подвижки по нему. Для сохранения комплекса центральных стволов необходимо было законсервировать 24 млн. т руды или почти 12% запасов месторождения.

При строительстве шахты «Центральная» Донского горно-обогатительного комбината в Казахстане во всех четырех стволах с глубины 500 м монолитная бетонная крепь находилась в предельном состоянии. В результате чего клетевой ствол из-за разрушения крепи был внезапно засыпан породой на глубину 200 м, а в скипо-клетевом и вспомогательном стволах произошли деформации крепи после их проходки на проектную глубину.

Все перечисленные стволы были запроектированы в соответствии с действующим СНиП 11 -94-80, Часть И, Глава 94 «Подземные горные выработки». Основной причиной разрушения крепи стволов явилось воздействие неучтенного при проектировании анизотропного тектонического поля напряжений в горном массиве, что привело к значительным непредусмотренным затратам на перекрепку стволов. Естественно, что с началом ведения очистных работ на шахте «Центральная» и образованием выработанного пространства, состояние устойчивости крепи стволов еще более усугубится из-за увеличения напряжений вызванного образованием провала.

На Соколовском подземном руднике ССГПО после шести лет начала разработки месторождения произошла деформация бетонной крепи с образованием продольных трещин длиной до 60 м.

В эксплуатируемом клетевом стволе «Западный» Таштагольского рудника между гор. -140 м (Я = 610 м) и гор. -70 м (Я = 540 м) произошло разрушение железобетонной крепи из-за высокого уровня напряжений, превышающего предел прочности бетона [1].

Разрушение эксплуатируемых стволов для любого рудника связано с большими непредвиденными затратами, связанными с перекрепкой ствола и кроме того убытками, обусловленными с приостановкой работы ствола на период восстановительных работ. Поэтому эксплуатационная надежность стволов должна быть особенно высокой и этого можно достичь только в результате расчета их крепи на максимальные нагрузки, которые возникают в процессе ведения очистных работ и образования выработанных пространств.

На достигнутых глубинах разработки месторождений серьезные разрушения крепи стволов происходили при их строительстве. Кроме отмеченных ранее случаев разрушения стволов на шахте Центральная ДонГОКа аналогичные явления имели место и на других месторождениях. Так, на Ташта-гольском руднике в тектонически активном районе произошли деформации и разрушение крепи стволов при проходке на шахтах «Ново-Капитальная», уг-лубке ствола шахты «Западная» и проходке ствола «Сибиряк» [2]. Поэтому чтобы обеспечить устойчивость таких стволов в эксплуатационный период работы шахт, необходимы специальные мероприятия по управлению напряженно-деформированным состоянием массива и крепи в период проходки, направленные на снижение уровня напряжений.

Особые осложнения возникают при сооружении камер большого сечения в скальном блочном массиве при высоком уровне тектонических напряжений на больших глубинах. В первую очередь это относится к камерам дробильного комплекса, сложность сооружения которых заключается в их близком расположении к стволу. Деформация крепи и ее разрушение при сооружении камер происходят на достигнутых глубинах строительства 600-800 м на стадии строительства, поэтому, естественно, с началом разработки месторождения и образованием выработанного пространства они попадают в зону влияния от провалов и возникнут еще большие проблемы с устойчивостью крепи.

Деформация крепи в кровле дробильной камеры и разрушение стенок дозаторной камеры с образованием трещин в скипо-клетевом стволе произошли на глубине 630 м при строительстве шахты «Центральная» Донского горно-обогатительного комбината. Напряжения в крепи всех камер превысили предел ее прочности.

На Гороблагодатском руднике на шахте «Южная» разрушение крепи в своде и в тор