автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Управление сдвижением и горным давлением при повторной разработке пологих рудных залежей

РГО о

Государстсснный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московский государственный открытый университет

На правах рукописи

МАКАРОВ Александр Борисович

УДК 622.274.1 : 83

УПРАВЛЕНИЕ СДВИЖЕНИЕМ И ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ ПОВТОРНОЙ РАЗРАБОТКЕ ПОЛОГИХ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ

Специальности 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» 05.15.01 —«Маркшейдерия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Московской государственной геологоразведочной академии им. С. Орджоникидзе.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. КАЗИКАЕВ Д. М., докт. техн. наук, 'проф. КУЛИКОВ В. В., докт. техн. наук, проф. КОВАЛЕВ И. А.

Ведущая организация — институт Гипроцвстмет.

Защита диссертации состоится « . . . » . . . 1994 г.

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного открытого университета.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять в адрес совета.

Автореферат разослан « ^■» февраля 1994 г.

■Ученый секретарь специализированного совета

ЗАХАРОВ Ю. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Извлечение руды из недр вызывает нарушение природного равновесия массива, которое выражается в сдвижении и горном давлении. Данные геомеханические процессы осложняют добычу полезных ископаемых, создавая угрозу для безопасности ведения горных работ, приводя к потерям руды, вызывая разрушение конструктивных элементов систем разработки и повреждения объектов на поверхности. Поэтому одной из основных проблем разработки месторождений полезных ископаемых является управление сдвижением и горным давлением. Особенно актуальна проблема управления состоянием массива на предприятиях, ведущих повторную разработку месторождений, где восполнение выбывающих мощностей при истощении сырьевой базы обеспечивается вовлечением в отработку ранее списанных в потери запасов руды. На пологопадающих залежах объектом повторной разработки являются рудные целики, которые поддерживают подработанную толщу пород. Переход к повторной разработке с извлечением руды из целиков означает изменение способа управления горным давлением: жесткое поддержание налегающей толщи заменяется закладкой выработанного пространства или обрушением.

Переход массива в новые условия поддержания приводит к резкой интенсификации геомеханических процессов. Комплекс возникающих при этом задач представляет собой научную проблему управления сдвижением и горным давлением при повторной разработке пологих рудных залежей. Решение данной проблемы позволит прогнозировать геомеханические последствия извлечения рудных целиков, определить рациональные методы управления переходными процессами и стратегию развития фронта повторной разработки на шахтных полях. Основной принцип решения проблемы заключается в согласовании планов развития повторной разработки с объективными закономерностями протекания геомеханических процессов в массиве таким образом, чтобы энергия горного давления не препятствовала, а наоборот - способствовала переходу массива в новые условия поддержания.

Актуальность сформулированной выше научной проблемы подтверждается решениями горной группы АН СССР под руководством академика Агошкова М.И. по развитию горных работ (протокол N7 от 7.06.85, г.Алма-Ата), совместного заседания НТС Госгортехнадзора и МЦМ РК 9.06.87 (г.Алма-Ата), научно-технического совещания в МЦМ СССР (14-16 ноября 1985, г.Москва), а также ряда координационных совещаний по проблемам повторной разработки Жезказганского месторождения (1988-90гт., г.Жезказган).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определение эффективных методов управления сдвижением и горным давлением при повторной разработке пологих рудных залежей, обеспечивающих безопасность горных работ и сохранность объектов на поверхности.

ИДЕЯ РАБОТЫ: управление сдвижением и горным давлением осуществляется последовательностью развития повторной разработки, основанной на закономерностях перераспределения тектонических и гравитационных напряжений вокруг карьеров и зон обрушений.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ:

- разработка метода расчета нагрузок на междукамерные целики на перекрывающихся сближенных залежах и установление закономерностей разрушения целиков;

- определение условий возникновения и торможения цепной реакции разрушения междукамерных целиков;

- определение условий выхода обрушений на поверхность при наличии в массиве тектонических напряжений и факторов, тормозящих процесс обрушения;

- установление основных закономерностей геомеханических процессов при открытой разработке разделительного целика между карьером и шахтой;

- обоснование схемы, условий потери устойчивости борта карьера при подработке подземными горными работами и определение допустимых границ повторной разработки под бортом действующего карьера;

- установление закономерностей сдвижения горных пород при повторной разработке с закладкой;

- установление основных закономерностей давления и сдвижения горных пород при повторной разработке с обрушением в условиях действия тектонических напряжений.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ: анализ наблюдаемых проявлений горного давления методами многомерной математической статистики, обратные расчеты геомеханических параметров по фактам проявления горного давления, натурные эксперименты и наблюдения по определению действующих напряжений и смещений в массиве горных пород, численное и физическое моделирование геомеханических процессов при повторной разработке, аналитические расчеты устойчивости, промышленные эксперименты.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ПРЕДСТАВЛЕННЫЕ К ЗАЩИТЕ:

1. на перекрывающихся сближенных залежах нагрузки на МКЦ определяются суммарной жесткостью соосных целиков, из-за резких перепадов выемочной мощности подвержены значительным колебаниям, негативные последствия которых сглаживаются положительной корреляционной связью между прочностью и нагрузкой на целики с коэффициентом ковариации 30-60% ;

2. доминирующее распространение одной системы крутопадающих трещин определяет трансверсально изотропные свойства массива, при которых разрушение МКЦ происходит в 3 раза интенсивнее по направлению оси анизотропии, чем в плоскости изотропии, совпадающей с простиранием основной системы трещин;

3. при повторной разработке открытым способом доминирующим процессом является субгоризонтальное смещение бортов к центру карьера, приводящее к появлению сдвигающих напряжений в массиве и элементах подземных конструкций на уровне дна карьера, разрядка которых происходит путем проскальзывания подсеченной карьером налегающей толщи относительно подстилающих пород по поверхностям пологого залегания; после разгрузки касательных напряжений нагрузки на МКЦ под бортом карьера определяются вертикальным давлением толщи пород до поверхности борта и целики сохраняют устойчивость; если в массиве отсутствуют

естественные поверхности ослабления пологого залегания, то МКЦ под бортом карьера разрушаются срезом;

4. при подработке бортов, ориентированных вкрест максимальных тектонических напряжений и находящихся в зоне их разгрузки за счет радиальных смещений, потеря устойчивости борта происходит по двум направлениям сдвига, начинающимися от барьерных целиков под бортом карьера, с формированием двух призм: сдвига и упора, разделенных между собой поверхностью сдвига; в бортах, ориентированных вдоль максимальных тектонических напряжений, формирование призмы упора предотвращается боковым зажимом борта, который удерживает подработанный прибортовой массив силами трения по торцам призмы сдвига;

5. при повторной разработке с закладкой выработанного пространства характер сдвижения налегающей толщи и ее взаимодействия с закладочным массивом зависят от устойчивости кровли: если часть налегающей толщи срезается по контуру выработанного пространства, то пригрузка закладки происходит в режиме заданных нагрузок; если налегающая толща за счет зажима тектоническими напряжениями сохраняет устойчивость, то нагружение искусственного массива осуществляется в режиме заданных деформаций от упругого прогиба кровли;

6. при извлечении целиков с закладкой выработанного пространства линия максимальных сдвижений в налегающей толще отклоняется от нормали к кровле на угол, величина которого зависит от угла падения залежи и горизонтальной компоненты природного поля напряжений; данный эффект отсутствует при горизонтальном залегании залежей или при гидростатическом поле начальных напряжений;

7. несущая способность разрушающихся МКЦ, контактирующих с закладкой, в процессе запредельного деформирования восстанавливается, а сдвижение налегающей толщи ограничивается эффективной мощностью, равной величине продольных деформаций целиков, при которой за счет бокового подпора компрессирующей закладкой их несущая способность в запредельном состоянии достигает предельной в момент начала разрушения;

8. перераспределение тектонических напряжений в налегающей толще после выхода обрушения на поверхность приводит к возникновению удароопасных ситуаций в зонах концентрации на глубинах выше почвы зоны обрушения, где ранее признаков удароопасности не наблюдалось, а в зонах разгрузки проявляется в виде значительных горизонтальных смещений массива к центру провала, линейно нарастающих к поверхности.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ достигнута обоснованием моделей массива, определением исходных данных в натурных условиях, достаточностью и полнотой описания наблюдаемых на практике явлений и эффектов, применением апробированных методов расчетов, сопоставлением расчетных и наблюдаемых параметров геомеханических процессов и подтверждается широким промышленным внедрением.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ состоит в том, что

- впервые предложен метод расчета нагрузок на целики на перекрывающихся сближенных залежах, с помощью которого установлены параметры изменчивости и теснота корреляционной связи между нагрузкой и прочностью целиков;

- установлена неизвестная ранее связь между трещиноватостью массива, обуславливающей его трансверсально изотропные свойства, напряженным состоянием и характером разрушения МКЦ;

- предложены новые критерии налегающей толщи поперечным сдвигом с выходом на поверхность при наличии тектонических напряжений, а также условия торможения процесса обрушения слоем крепких пород;

- установлена зависимость размеров зон влияния карьера на законтурный массив от природного поля напряжений;

- предложен метод реконструкции исходного напряженного состояния массива обратным расчетом по данным натурных измерений действующих окружных напряжений в борту карьера;

- обнаружен эффект проскальзывания подсеченной карьером налегающей толщи по слабому контакту целиков с кровлей, объяснивший при открытой разработке разделительного целика сохранение устойчивости целиков под бортом карьера разгрузкой сдвигающих напряжений;

- предложена и обоснована новая модель потери устойчивости прибортового массива при его подработке и перехода в новые условия поддержания закладкой;

- установлена новая зависимость угла максимальных сдвижений налегающей толщи при повторной разработке с закладкой от угла падения залежи и природного поля напряжений;

- выявлен и аналитически описан процесс восстановления несущей способности целиков в ходе запредельного деформирования за счет бокового подпора породной закладкой, на основании которого разработана методика расчета сдвижения налегающей толщи при торможении процесса разрушения МКЦ породной закладкой.

НАУЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается в установлении зависимости всех форм проявления горного давления и параметров геомеханических процессов при повторной разработке пологих рудных залежей от свойств природного поля напряжений (неоднородность в пространстве, соотношение гравитационной и тектонической составляющих, анизотропия горизонтальных компонент).

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ состоит в разработке комплекса инженерных методов расчета геомеханических последствий извлечения целиков, которые позволяют прогнозировать развитие геомеханической ситуации, выбирать технологические и технические приемы управления сдвижением и горным давлением; обосновании возможности, установлении допустимых границ и порядка повторной разработки под бортом действующего карьера; определении рациональной стратегии развития фронта повторной разработки на шахтных полях.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований внедрены в практику проектирования и повторной разработки Жезказганского месторождения. Научные разработки и положения диссертации использованы при составлении нормативно-технических документов: дополнений к Временным правилам охраны сооружений от вредного влияния подземных разработок на рудниках Жезказганского ГМК, Технологических инструкций по применению камерно-столбовой системы разработки с оставлением круглых целиков и системы разработки с камерной выемкой и

закладкой на рудниках Жезказганского ГМК, Технологического регламента на проектирование повторной разработки Жезказганского месторождения.

Практические рекомендации нашли свое применение в рабочих проектах на открытую и подземную разработку разделительного целика между карьером Злато-уст-Беловский и шх. 57, частичную отработку предохранительных целиков стволов и промплощадок на 10 шахтах, повторную разработку с закладкой под охраняемыми объектами на шх. 57, с обрушением на шх. 45, 67, на погашение выработанного пространства шх. Покро обрушением. Экономический эффект от внедрения рекомендаций в ценах 1991 г. оценивается в 100 млн.руб. при долевом участии автора 25 %. Результаты исследований автора используются при чтении курсов "Маркшейдерское дело" и "Управление состоянием горного массива" в Московской государственной геологоразведочной академии.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на Всесоюзных семинарах по измерению напряжений в массиве (Новосибирск, 1982, 1984, 1986, 1990), Всесоюзных конференциях по механике горных пород (Фрунзе, 1989, Москва, 1993), на международных горно-металлургических конгрессах (Фрайберг, 1980, 1984,1986),HaYIl международном конгрессе по маркшейдерскому делу (Ленинград, 1988), на конференции "Охрана недр и окружающей среды на основе комплексного использования минерального сырья (Усть-Каменогорск, 1989), на всесоюзной конференции "Физические процессы горного производства" (Москва, 1991), на симпозиуме "Геомаркшейдер-1" (Москва, 1991), на НТС Госгортехнадзора PK (Алма-Ата, 1987), на координационных совещаниях по проблемам повторной разработки Жезказганского месторождения (Жез-казган, 1982, 1986, 1989), на научных конференциях МГГА (1978-93).

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертации опубликованы в 43 работах.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения и 2 приложений, изложенных на страницах машинописного текста, включает 68 рисунков, 25 таблиц, список литературы из 173 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность своему учителю проф., д.т.н., чл.-корр. РАЕН Борщ-Компонийцу В.И. за многолетнюю помощь и ценные советы, своим коллегам к.т.к. Азарнову A.B., выполнившему большинство расчетов на ЭВМ, к.т.н. Мякишеву B.C., совместно с которым проведены все натурные эксперименты, а также работникам ПНО Жезказганцветмет. Данная работа завершена благодаря постоянной поддержке руководителей объединения Урумова Т.М. и Жаркенова М.И., которым автор выражает искреннюю признательность.

Основное содержание работы

1. ОПЫТ ПОВТОРНОЙ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Основными тенденциями развития сырьевой базы горнорудной промышленности являются снижение содержания металлов в руде и увеличение глубины горных работ. Эффективный путь преодоления данных негативных тенденций заключаются в переходе к повторной разработке месторождений, которая дает значительный народно-хозяйственный эффект за счет продления сроков эксплуатации действующих рудников на освоенных площадях с развитой инфраструктурой с использованием имеющихся основных фондов в виде зданий, сооружений, капитальных выработок, общешахтного оборудования и установок, мощностей по переработке руды. Экономическим и технологическим проблемам повторной разработки посвятили свои труды Барон Л.И., Бунин Ж.В., Иофин С.Л., Ильин С.А., Куликов В.В., Михайлов В.В., Попов Г.Н., Попов В.М., Полищук A.A., Пронин М.Н., Сиразутди-нов A.M., Ржевский В.В., Шашурин С.Л., Шестаков В.А., Юматов Б.П. Геомеханические проблемы повторной разработки изучали Борщ-Компониец В.И., Ержанов Ж.С., Казикаев Д.М., Калмыков В.Н., Костюченко В.В., Цыгалов М.Н., Черный Г.И., Юн Р.Б., Ямщиков B.C.

На пологих залежах, первичная эксплуатация которых велась камерно-столбовой системой, объектом повторной разработки являются рудные целики, поддерживающие открытое выработанное пространство. Анализ литературы и практики повторной разработки показал, что извлечение целиков приводит к резкой интенсификации проявлений горного давления и сдвижения горных пород, негативными последствиями которых являются разрушения целиков на больших площадях, обрушение налегающей толщи, повреждение объектов на поверхности. Для обеспечения безопасности горных работ и сохранности объектов на поверхности необходимо решить проблему управления сдвижения и управления горным давлением при повторной разработке пологих рудных залежей.

Наиболее ярко весь спектр форм проявления горного давления и методов управления им покажем на примере повторной разработки Жезказганского месторождения, характерными особенностями которого являются многоярусность оруденения, большие площади и мощности залежей, высокая прочность руды и вмещающих пород, наличие в массиве тектонических напряжений, совмещение открытых и подземных горных работ. Данные горногеологические и технологические условия являются типичными для многих предприятий, ведущих разработку пологих рудных залежей.

Повторная разработка Жезкаганского месторождения ведется комбинированным способом. Открытыми горными работами разрабатывается часть разделительного целика между карьером Златоуст-Беловский <КЗБ) и шх. 57. Подземная повторная разработка под бортом действующего карьера и на застроенных площадях ведется с закладкой выработанного пространства. На участках, где допустимо погашение налегающей толщи и бортов списанных карьеров, повторная разработка ведется подземным способом с обрушением.

2. ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПЕРВИЧНОЙ РАЗРАБОТКЕ ПОЛОГИХ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ КАМЕРНО-СТОЛБОВОЙ СИСТЕМОЙ

Нагружекность совокупности столбчатых междукамерных (МКЦ) и ленточных барьерных целиков (БЦ) на одиночных залежах изучалась в экспериментальных и теоретических работах Борщ-Компонийца В.И., Букина А.Н., Гулевича Г.Е., Ержа-нова Ж.С., Ильина А.И., Ильштейна A.M., Линькова A.M., Петухова И.М., Попова В.Н., Рахимова В.Р., Руппенейта К.В., Серегина Ю.Н., Шейнина В.И., Чадбаровой Ю.И. При разработке мощных залежей слоями и перекрывающихся в плане залежей нагрузки между целиками перераспределеяются в соответствии с изменениями же-сткостей несущих элементов, что по опыту горных работ зачастую вызывает из разрушение. За основу разработанного автором инженерного метода расчета нагрузок на МКЦ на перекрывающихся залежах принят принцип совместности деформаций, по которому суммарная нагрузка налегающей толщи на совокупность МКЦ в панели распределяется между отдельными элементами пропорционально жесткости конструкции из сооснорасположенных целиков: m n ш

Ni=k„yHS -2 Cij • (Е Е Cij)-1 (1)

j=i i=ij=i

где

kn - коэффициент нагрузки, зависящий от соотношения пролета панели •

и глубины залегания; у Н - гравитационное давление налегающей толщи на глубине Н; S - площадь панели;

EFij

г~ = Cij - жесткость i-того МКЦ на j-той залежи; "ij

п - количество МКЦ в панели;

га - количество перекрывающихся залежей.

Анализ расчетных данных показывает значительную неравномерность распределения нагрузок на МКЦ в панелях. Несмотря на значительную вариацию нагрузок на МКЦ (коэффициент вариации достигает 50-60%), устойчивость целиков подвержена значительно меньшим колебаниям: коэффициент вариации запаса прочности МКЦ не превышает 20-35%. Это связано с наличием положительной корреляционной связи между давлением на целик (жесткостью) и его прочностью. Теснота этой связи оценивается коэффициентом ковариации в пределах 30-60%. Установлено, что наиболее угрожаемыми по разрушению МКЦ участками являются границы перекрытия залежей в плане, где жесткость одиночных (неперекрытых) МКЦ значительно выше, чем смежных соосных целиков на перекрывающихся участках залежей.

В ходе повторной разработки возникают задачи поиска рациональной технологии отбойки целиков и прогноза их поведения и перегруженном состоянии с коэффициентом запаса прочности близким к единице. Данные задачи требуют установления закономерностей процесса разрушения МКЦ с учетом их структурных особенностей. В условиях Жезказганского месторождения преобладающая система трещин (75-80% от общего числа трещин) имеет крутое падение (70-90°) и простирание с азимутами 0-20°, согласно простиранию флексурных зон, и обуславливает транс-версально изотропные свойства массива. Плоскость изотропии совпадает с простиранием основной системы трещин, а ось анизотропии расположена горизонтально

по нормали к ней. В МКЦ анизотропия свойств трещиноватого массива проявляется в различии скоростей упругих волн в горизонтальных сечениях, в закономерностях распределения вертикальных и горизонтальных напряжений и в характере разрушения (рис. 1). По соотношению скоростей упругих волн установлено, что в плоскости изотропии модуль упругости массива в 2,8-3,2 раза выше, чем в направлении оси анизотропии.

Обобщение натурных данных, полученных методом разгрузки за 30 лет (около 400 замеров), позволило установить следующее. Конфигурация основного несущего (неразрушенного) сечения МКЦ, построенного по точкам, где действующие вертикальные напряжения достигают максимума, имеет вытянутую вдоль простирания основной системы трещин форму, близкую к овалу Кассини. В плоскости изотропии максимальная полуось овала имеет относительную ординату (в долях от радиуса МКЦ) гШах = 0,71, а по оси анизотропии полуось овала минимальна rmin = 0,23. Следовательно, процесс разрушения МКЦ по направлению оси анизотропии развивается в 3 раза интенсивнее, чем в плоскости изотропии. Это объясняется тем, что по данным наших натурных измерений все поперечное сечение МКЦ в середине высоты подвержено действию растягивающих горизонтальных напряжений, действующих по направлению оси анизотропии.

Характер разрушения трансверсально изотропных целиков зафиксирован подземной стереофотосьемкой. Установлено, что основные отслоения с разрушающихся МКЦ происходят в виде блоков, отрывающихся по крутопадающим трещинам доминирующей системы. В итоге поперечное сечение МКЦ приобретает вытянутую в субмеридианальном направлении форму, а площадь неразрушенного сечения уменьшается по мере удаления от контактов с вмещающими породами и приближения к середине высоты. Полученные данные позволили сформулировать принципы отбойки МКЦ, чтобы получить требуемую степень дробления при минимальном разлете руды.

Извлечение рудных целиков приводит к формированию опорного давления, способного вызвать цепную реакцию разрушения оставшихся МКЦ, для определения условий возникновения и торможения которой введем понятие граничного коэффициента запаса прочности. МКЦ, обладающие запасом прочности меньшим, чем граничный, вовлекаются в разрушение, с большим запасом прочности - останавливают цепную реакцию разрушения. Аналитическими расчетами опорного давления по разработанной автором методике, а также статистическим анализом наблюдаемых на практике масштабов разрушения МКЦ (частота разрушения МКЦ за весь период эксплуатации Жезказганского месторождения составляет 6-7%) с учетом установленных значений изменчивости геомеханических параметров (средние коэффициенты вариации нагрузок на МКЦ и их прочности равны 0,48, коэффициент ковариации между ними - 0,44) по теории надежности показано, что при повторной разработке граничный коэффициент запаса прочности составляет 2,7-2,8. При самопроизвольном разрушении МКЦ за счет сохранения остаточной прочности граничный коэффициент запаса прочности находится в пределах 1,9-2,2.

Устойчивость данных оценок наблюдается и в малом - в пределах отдельных выемочных единиц (панелей), и в большом - в масштабе всего рудного поля в целом. По соотношению фактического и граничного коэффициентов запаса прочности предложено классифицировать всю совокупность МКЦ на 3 категории: I - разрушенные; II - неустойчивые, которые могут быть вовлечены в цепную реакцию разрушения; III - устойчивые, способные остановить цепную реакцию разрушения.

Рис. 1 Формы проявления трансверсально изотропных свойств МКЦ, обусловленных доминирующим развитием одной системы крутопадающих трещин:

а - диаграмма трещиноватости МКЦ; б - индикатриссы скоростей упругих волн по поперечному сечению МКЦ; в, г- эпюры вертикальных и горизонтальных напряжений в середине высоты МКЦ поданным натурных измерений соответственное плосгости изотропии и по оси анизотропии; д - нормированное распределение вертикальных напряжений; е - конфигурация сохранившегося сечения МКЦ на разных отме~.ках;

1,2- соответственно плоскость изотропии и ось анизотропии.

3. СДВИЖЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПОЛОГИХ РУДНЫХ

ЗАЛЕЖЕЙ

Опыт инструментальных наблюдений за сдвижением горных пород на Жезказ-ганском месторождении позволил выделить две стадии процесса, характерных для поддержания выработанного пространства рудными целиками. На первой стадии, пока целики сохраняют устойчивость, развитию процесса сдвижения препятствуют реакции МКЦ, возможно управление им за счет выбора жесткости несущих элементов, возможен расчет сдвижений и деформаций массива методами теории упругости. Это обстоятельство позволило обосновать изменение горной меры охраны стволов и промплощадок шахт путем частичной отработки сплошных предохраниельных целиков камерами с извлечением 30-60% запасов руды и оставлением жестких ленточных целиков.

Вторая стадия процесса сдвижения с развитием зон обрушений и интенсивных смещений наступает при массовом разрушении или извлечении МКЦ. Факторным анализом параметров фактических зон обрушений установлено, что площадь обрушения статистически устойчиво коррелирует с числом перекрытия отработанных залежей (положительная корреляционная связь), глубиной и расстоянием до флексуры (отрицательные связи); для мощности зоны обрушения выявлена отрицательная корреляционная связь с горизонтальными компонентами природного поля напряжений и интенсивностью трещиноватости.

Результаты факторного анализа позволили обосновать модель обрушения поперечным сдвигом налегающей толщи по вертикальным границам вдоль контура неподдерживаемого рудными целиками участка. Аналитическим описанием модели получены критерии выхода обрушения на поверхность в условиях бокового зажима массива тектоническими напряжениями в виде:

где

Б,р,1э -соответственно площадь, периметр и эквивалентный пролет зоны обрушения;

у, С, <р - удельный вес, сцепление и угол внутреннего трения в массиве налегающей толщи;

I - параметр, характеризующий боковой зажим;

Если зону обрушения аппроксимировать эллипсом с полуосями а и Ь (а>Ь) , тогда

(2)

или

или

(3)

(4)

Ш| а2 -ьпг.2 Ьг.

mi =Л| • sin2£+A2-cos2p ;m2 = Ai ■ cos2fi+X2- sin2fi (5)

где

A, =— -Д2 = ^jy ; cri ; 02 - горизонтальные компоненты ППН (cri >02);

¡} -угол между направлениями большой оси эллипса и максимальных главных

напряжений oí.

Совокупный опыт происшедших на Жезказганском месторождении обрушений с выходом на поверхность описывается регрессией 1Э=Н с коэффициентом корреляции 0,86 и среднеквадратическим отклонением 33 м. Сопоставлением теоретиче- : ской (4) и экспериментальной зависимостей получены следующие статистические оценки параметров аналитической модели С-0 и

2LMJ0 j (6)

Р

Анализом неравенства (б) установлено, что для зон обрушений с изометрической формой в плане (а~Ь) условия образованна провала выполняются, на участках, где максимальные тектонические напряжения разгружены по сравнению со средним уровнем в 2 раза и не превышают гравитационное давление налегающей толщи более, чем в 2,2 раза. Доля таких участков от общей площади рудного поля оценена по параметрам изменчивости ППН (по данным натурных экспериментов коэффициенты вариации Ai и h в пределах ' рудного поля соответственно 55 % и 47 % ) и составляет 8-14%.

На основании этого сделаны сделаны следующие выводы:

- возможность обрушений налегающей толщи с выходом на поверхность в условиях действия тектонических напряжений обусловлена значительной неоднородностью природного поля напряжений в пространстве и реализуется на участках, где тектонические напряжения разгружены;

- начальная стадия повторной разработки с обрушением на большей площади месторождения за счет бокового зажима массива будет осложнена зависаниями налегающей толщи;

- участки первичных посадок кровли принудительным обрушением в зажиме целесообразно выбирать в местах с максимальным числом перекрытия залежей, где есть возможность для погашения зависания минной отбойкой, или с максимальным пролетом выработанного пространства.

4. УПРАВЛЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ПРИ ОТКРЫТОЙ ПОВТОРНОЙ РАЗРАБОТКЕ

Возмущения, вносимые в состояние массива отработкой карьера, изучались численным моделированием, организованным по планам теории эксперимента с использованием упругой анизотропной модели массива. Установлено, что величины деформаций упругого восстановления объема законтурного массива на земной поверхности, в бортах и по дну, а также размеры зон влияния карьера определяются величинами разгруженных напряжений, прямо пропорциональны глубине карьера и горизонтальным составляющим ППН и не зависят от углов наклона борта и

ширины карьера по дну. На месторождениях с анизотропией тектонических напряжений размеры зон влияния карьера п плане существенно различаются: наибольшая протяженность наблюдается по направлению действия в массиве максимальных тектонических напряжений. В условиях Жезказганского месторождения зона влияния карьера на законтурный массив в субмеридианальном направлении определена в пределах 90% от глубины карьера, в субширотном - 40%.

Открытая повторная разработка ведется на северном фланге Жезказганского месторождения, где южной прирезкой КЗБ отрабатывается часть разделительного целика (РЦ) между карьером и шх. 57. Параметры ППН в данном районе реконструированы обратным расчетом по данным натурных измерений напряжений, действующих вблизи контура карьера, методом разгрузки, Учитывая, что КЗБ в плане имеет эллиптическую форму, использовано известное решение Н.И.Мусхелишвили о распределении окружных напряжений на контуре эллиптической выработки, в котором искомыми величинами являются две горизонтальные компоненты ППН, а известными - параметры эллипса и измеренные величины окружных напряжений в двух точках контура (по количеству известных). Решением системы управлений получены значения горизонтальных компонент ППН: максимальная превышает гравитационное давление пород налегающей толщи в 7,2 раза, а промежуточная - в 1,3 раза. Наведенное поле напряжений вокруг КЗБ, рассчитанное- по найденным значениям ППН, характеризуется зонами: 1 - концентрации окружных (действующих вдоль контура бортов) напряжений ( 00 > сЛ ) в восточном и западном бортах; П-1У - разгрузки окружных напряжений, где соответственно

(«^2 <00 <0° 1 ,00 <^2 , О0<О) в южном борту карьера (рис.2). Полученные дачные позволили сделать вывод о зависимости устойчивости бортов от их ориентировки относительно направления максимальных тектонических напряжений, связанной с их перераспределением вокруг карьера.

Рис. 2 Схема перераспределения тектонических напряжений вокруг КЗБ и расположение участков открытой (ОР) и подземной (панели 8а, 86, 8м, 15.16) повторной разработки разделительного целика:

1,2- верхняя бровка и дно КЗБ; 3 - апроксимирующий эллипс; 4 - закрепленный участок восточной выездной траншеи.

Зоны: 1 - концентрации; Н-1У - разгрузки тектонических напряжений.

Флексуриые зоны: А - Петровская основная; Б - Златоустовская; Б - Западно-Крестовская

Геомеханические процессы при открытой разработке РЦ изучались численным моделированием. Результаты в схематическом виде представлены на рис.3. При подвигании борта карьера из положения 1 в положение 2 деформации разгрузки массива 3 приводят к появлению на контактах МКЦ с вмещающими породами нормальных а и касательных напряжений т , что эквивалентно приложению сжимающих 0| и растягивающих <тз главных напряжений, равных

_ (о,±Ус/ + 4т?)

<71.3 2

отклоненных от вертикали на угол _ атс\£(2Щ

" 2

Полученные расчетом величины действующих напряжений таковы, что МКЦ под бортом карьера должны были полностью разрушиться даже при проектной ширине РЦ. На практике этого не произошло, хотя некоторые МКЦ имеют следы разрушений по поверхностям 4, близким к расчетным, а РЦ уже частично отработан карьером. Для выяснения причин, по которым не произошло полное разрушение всех целиков было проведено обследование выработанного пространства, в ходе которого зарегистрированы следы проскальзывания кровли относительно МКЦ по слабому контакту, представленному зеркалом скольжения с кальцитовым заполнением. Величина подвижки составляет 2-7 см. В результате подвижки произошла разгрузка касательных напряжений до величины

г =о^£<р (9)

где <р = 12° - угол трения по слабым контактам.

Перерасчет величин главных напряжений показал, что после проскальзывания происходит переориентация главных напряжений с поворотом по направлению 5 (рис.3): максимальные напряжения 0\ приближаются к вертикальным, а растягивающие оз становятся пренебрежимо малыми. В итоге изменение условий нагруже-ния МКЦ за счет подгшжки налегающей толщи обеспечивает сохранение устойчивости МКЦ при отработке РЦ открытым способом. Обнаружение эффекта проскальзывания позволило обосновать открытую разработку РЦ без закладки выработанного пространства под бортом с оставлением временного целика шириной 30 м и рекомендовать увеличение угла наклона борта высотой -210 м до 48°.

(7)

(8)

Рис. 3 Сдвижение горных пород при открытой разработке разделительного целика, характер нагружения и разрушения междукамерных целиков под бортом карьера

5. УПРАВЛЕНИЕ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ПОВТОРНОЙ РАЗРАБОТКЕ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ КАРЬЕРА

За предельным контуром открытой повторной разработки извлечение рудных целиков ведется подземным способом с закладкой во избежание нарушения схемы вентиляции и ятя обеспечения устойчивости подрабатываемого борта карьера (чтобы совместить во времени открытую и подземную повторную разработку). Для оценки геомеханических последствий подработки борта карьера высотой 270 м с углом наклона 44° использовано численное моделирование, которое проводилось по этапам повторной разработки с общим направлением от карьера в массив. Полученные расчетом смещения прибортового массива и расположение зон критических концентраций действующих напряжений по критерию Гриффитса-Брейса подтвердили идею Фисенко Г.Л. о более сложном механизме потери устойчивости подработанного борта карьера, чем сдвижение по круглоцилиндрической поверхности скольжения, и показали наличие в прибортовом массиве при его подработке двух направлений сдвига борта карьера (рис.4). Оба направления начинаются от подземных горных выработок в местах с максимальной концентрацией напряжений - БЦ под бортом карьера. Причем, одно из них ориентировано в сторону борта карьера и разделяет призмы сдвига и упора, а второе - ограничивает призму сдвига от устойчивого массива. Условие предельного равновесия сдвигающихся блоков массива по критерию Кулона-Мора после извлечения запасов РЦ у борта карьера на первой стадии повторной разработки сведено к формуле коэффициента запаса устойчивости подработанного борта карьера, определяемого соотношением удерживающих и сдвигающих сил по кровле выработанного пространства в пределах призмы упора (по границе h на рис. 4а) :

_ [ (Dsinff + V;7)W -t-CU

D-cosß (10)

где

D = yV! -sin/S - (yYi -tgy + Cli ) ; V = V + i;

Vj, V2 - объемы (на единицу длины борта) призм сдвига и упора; U, h - длины границ призм сдрига и упора; С/, С' - сцепление в массиве и по контакту кровли с закладкой; <р ,<р - углы внутреннего трения в массиве и по слабому контакту; i - угол неровностей поверхностей сдвига. Углы наклона поверхностей сдвига ß и Ö определяются по результатам численного моделирования, а объемы Vi и V2 определяются графически по разрезу.

Расчетная схема второй стадии повторной разработки (извлечение первого БЦ от борта карьера) отличается от предыдущей тем, что после отрыва по границе 1з в сдвижение вовлекается блок Vj, смещающийся совместно с блоком Vi по той же поверхности сдвига с углом наклона ß (рис. 46). Чтобы оценить устойчивость подработанного борта на этой стадии в формуле (10) необходимо заменить объем Vi на сумму V1+Y3 и длину // на разность li-li}. Предложенная схема сдвижения получила подтверждение натурными наблюдениями за смещением массива по подземной профильной линии и образованием в натуре трещины отрыва (по границе Ii на рис. 46) длиной до 60 м с раскрытием до 20 см и смещением берегов до 8 см.

Расчеты устойчивости борта КЗБ при его подработке в районе панелей 8а, 86, 8, шх. 57 (см. рис. 2) показали, что на первой стадии после извлечения запасов РЦ и МКЦ коэффициент запаса устойчивости равен 2, 3. Сдвижение борта начинается в процессе отработки БЦ на второй стадии и остановится, когда в результате возникновения подпора призмы сдвижения Vj+Vj закладкой уравняются сдвигающие и удерживающие силы на границе h. Реакция закладки, при которой остановится сдвижение массива определена по формуле:

y(Vi + Уз) — Р'

_ sinff - cos fi-1gtp ax- L

где

(11)

D =-

со^З -¡'ш/З-1£<р

Ь - ширина закладочного массива, воспринимающего нагрузку сдвигающейся призмы активного давления. По расчетам, при полной закладке выработанного пространства смещение массива по вертикали составит 1 м, после чего реакция закладки достигнет 2,8 МПа и возникнет новое состояние равновесия массива, под держиваемого силами трения по границам // и Ь и закладкой. Полученные оценки устойчивости борта пропе-рены методом центробежного моделирования на эквивалентных материалах. Эксперименты подтвердили теоретические выводы о механизме и условиях потери устойчивости при-бортового массива.

При повторной разработке полный спектр методов управления горным давлением ограничен уже существующими выработанными ирострзпетиими и целиками. Поэтому основными методами управления являются выбор способа погашения пустот, установление рационального порядка и направлений развития горных работ. На участке сопряжения открытых и подземных горных работ рекомендовано развивать повторную разработку от карьера вглубь массива. Отступающий порядок обеспечивает первоочередное извлечение запасов руды, прилегающих к карьеру. В противном случае они могут быть вовлечены в процесс сдвижения и потеряны. Тем самым достигается полнота извлечения руды и безопасность горных работ на началь-

Рис. 4 Расчетная схема (а) и модель потери устойчивости борта карьера (б) при его подработке

ных стадиях повторной разработки запасов, находящихся под защитой БЦ, и выведение горных работ за пределы зоны сдвижения на последующих стадиях при извлечении БЦ.

Рассмотренные выше участки РЦ расположены в южном борту КЗБ, где тектонические напряжения разгружены, поэтому их влияние на устойчивость борта не учитывалось. В условиях бокового зажима ведется повторная разработка РЦ под восточным бортом КЗБ в районе панелей 15, 16 (рис.2). Боковой зажим борта окружными напряжениями подавляет радиальные деформации разгрузки прибор-тового массива, за счет чего предотвращается формирование призмы упора, а призма сдвига подработанного борта в основном удерживается за счет сил трения по торцам, которые составляют 72% от суммы удерживающих сил. Именно этот фактор позволил обосновать подземную разработку РЦ с оставлением временного целика шириной 15 м без возведения контрфорса.

6. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ ПРИ ПОВТОРНОЙ РАЗРАБОТКЕ С ЗАКЛАДКОЙ

Основная проблема прогнозирования сдвижения горных пород при повторной разработке с закладкой состоит в определении высоты зоны обрушения, которая определяет давление на закладочный массив, и рассчитать смещения на контуре кровли панели, границы зоны обрушения и земной поверхности. Дтя решения данной задачи использована схема поперечного сдвига по вертикальным границам вдоль контура выработанного пространства в плоском варианте. Для линий, по которым происходит срез подработанной толщи, строятся эпюры действующих и предельных касательных напряжений и по критерию Кулона-Мора выделяется область, где реализуется поперечный сдвиг. Вышележащая толща при этом сохраняет устойчивость и деформируется в пределах упругого прогиба. Предложена методика расчета процесса сдвижения, по которой был дан прогноз сдвижения поверхности при подработке жилого поселка системами с закладкой, что позволило обосновать возможность извлечения больших запасов руды без переноса поселка.

Закономерности сдвижения горных пород при извлечении ленточных БЦ с закладкой выработанного пространства за пределами зоны влияния карьера установлены численным моделированием. За счет наклонного залегания рудного тела и большой горизонтальной компоненты ППН линия максимального сдвижения от извлечения БЦ отклоняется от нормали к кровле на угол (рис.5):

в = тг arctg p-j—' . , ] , (12)

¿ cos а +A si na

где

а - угол падения рудного тела;

А - коэффициент бокового давления (в долях отуН) в ППН по падению

рудной зпежи.

Анализ зависимости (12) показывает, что угол 0 достигает экстремальных значений, если соблюдается условие cos 2а = ( А - 1) / (Я + 1). Линпя максимальных сдвижений отклоняется от нормали в сторону восстания (в > 0 ) при А < 1 и в сторону падения (в < 0) при А > 1 .

Рис. 5 Расчетная схема (а) и зависимости угла линии максимальных сдвижений от угла падения залежи и горизонтальной компоненты природного поля напряжений (б)

Возрастающая с началом повторной разработки вероятность разрушения МКЦ потребовала создания метода предотвращения повреждений охраняемых объектов на поверхности путем торможения процесса разрушения МКЦ и ограничения сдвижения налегающей толщи с помощью породной за-

кладки. Установлено, что сухая породная закладка не увеличивает предельную несущую способность МКЦ. Роль упрочняющего фактора закладка приобретает только при разрушении МКЦ, ограничивая поперечные деформации и создавая пассивное боковое давление на целик в режиме компрессионного уплотнения. Предложена аналитическая модель запредельного деформирования МКЦ в контакте с породной закладкой, с помощью которой показано, что процесс разрушения МКЦ тормозится, а их несущая способность восстанавливается до первоначального уровня (рис.6). Сдвижение налегающей толщи при этом ограничивается

эффективной мощностью, равной про- Рис. 6 Диаграммы продольного де-дольным деформациям МКЦ в преде- формирования МКЦ:

лах е о=3-5% от выемочной мощности I-без закладки; 2-упрочненные сухой залежи. породной закладкой

7. УПРАВЛЕНИЕ СДВИЖЕНИЕМ И ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ ПОВТОРНОЙ РАЗРАБОТКЕ С ОБРУШЕНИЕМ

Кардинальный вопрос данного способа управлением горным давлением состоит в обеспечении посадки налегающей толщи после извлечения рудных целиков и ликвидации зависаний над сводами естественного равновесия или мощными слоями пород-мостов. Погашение свода естественного равновесия осуществляется увеличением пролета зоны обрушения за счет отбойки или разрушения горным давлением устойчивых МКЦ. Для погашения пустот под слоем породы-моста предложена технология, включающая в зависимости от конкретных условий торпедирование тормозящего слоя по периметру участка погашения, пробой породы-моста в центре минными зарядами из вышележащих выработок, увеличение пролета обнажения кровли и инициирование цепной реакции разрушения оставшихся МКЦ за счет

изменения условий их нагружения после отбойки жестких опор типа БЦ. По данной технологии ведется подготовка погашения выработанного пространства шх.Покро, где расположены три крупных зоны обрушения, остановленных породой-мостом и разделенных между собой барьерными и массивными целиками. Ликвидация зависаний позволит извлечь большое количество руды, оставленной в целиках.

Исследованиями Христановича С.А., Кузнецова C.B., Маркова Г.А. показано, что после первичной разработки залежей камерно-столбовой системой при наличии устойчивых МКЦ горизонтальные напряжения в налегающей толще практически не отличаются от начальных, действовавших в ППН. Ситуация резко меняется после обрушения налегающей толщи с выходом на поверхность. Вокруг образовавшегося провала в массиве происходит перераспределение тектонических напряжений. Для описания поля напряжений вокруг провала использовано аналитическое решение Мусхе-лишвили Н.И. для эллиптического отверстия, из которого следует, что после обрушения в налегающей толще формируются зоны разгрузки тектонических напряжений по направлению действия о? и концентрации тектонических напряжений по направлению действия ог . На примере анализа ситуации в поле шх.45 посте обрушения панелей 3/9 с выходом на поверхность (рис.7) показано, что в зонах разгрузки тектонических напряжений после отбойки или разрушения МКЦ становится возможным самообрушение налегающей толщи, а возрастание бокового зажима массива в зонах концентрации тектонических напряжений приводит к возникновению удароопасных ситуаций на глубинах, где ранее (до обрушения) их не наблюдалось.

Разгрузка тектонических напряжений в областях, примыкающих к зоне

обрушения по направлению действия d[ реализуется за счет горизонтальных смещений налегающей толщи к центру провала. Закономерности изменения горизонтальных деформаций разгрузки массива по глубине установлены с использованием в качестве измерительного инструмента шахтного ствола, положение оси которого контролируется профилировками армировки. Наблюдениями за стволом шх.55гл., вблизи которого произошло обрушение панели 25 с выходом на поверхность (рис.8) установлено, что горизонтальные смещения разгрузки массива от тектонических напряжений линейно возрастают от почвы выработанного пространства к поверхно-

Рис. 7 Схема перераспределения горизонтальных напряжений в налегающей толще вокруг зоны обрушения панелей 3/9:

А, Б- зоны разгрузки и концентрации напряжений;

1 - контур выработанного пространства;

2 - место стреляний в подготовительных

выработках; 3 • флексура

/

л

го 80 40 20

& ТЯ.лГ

¿Г

- <00

ш

.г

300

О ¿0 ¿0„

Рис. 8 Обрушения кровли панели 25

а) 1 - в 1973 г.; 2-е 1990 г. с выходом на поверхность в процессе повторной разработки;

3 - вектора горизонтальных смещений массива; 4 - граница предохранительного целика

по залежи.

б, в) - горизонтальные смещения оси ствола 55, главного по данным профилировок

в 1988 г. ив 1990 г.

сти, а смещения массива ниже дна зоны обрушения свидетельствуют о концентрации тектонических напряжений в подстилающей толще. На основании этого сделан вывод: широкомасштабная повторная разработка с обрушением приведет к снижению общего уровня тектонических напряжений в подработанном массиве и их концентрации в подстилающих породах, в результате чего налегающая толща получит возможность для самообрушения после извлечения рудных целиков. Поэтому в технологическом регламенте на проектирование общей схемы повторной разработки Жезказганского месторождения рекомендовано развивать фронт первичных посадок принудительным обрушением кровли в зажиме в субширотном направлении (вкрест направления (Л ) и вторичных посадок самообрушением кровли в зонах разгрузки тектонических напряжений в субмеридианальном направлении. Развивать зону обрушения в субширотном направлении (в зонах концентрации тектонических напряжений) предложено с помощью отработки флексурных зон. Для определения предельных пролетов, при которых происходит обрушение висячего бока камер, разработана методика, учитывающая напряженное состояние и структурную нарушенность флексур. Достоверность рекомендуемой методики установлена анализом опыта создания больших обнажений кровли во флексурах Жезказганского месторождения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано решение научной проблемы управления сдвижением и горным давлением при повторной разработке пологих рудных залежей путем определения последовательности развития повторной разработки на шахтных полях, основанной на установленных зависимостях параметров геомеханических процессов и форм проявления горного давления от свойств природного поля напряжений и закономерностях перераспределения тектонических напряжений вокруг карьеров и зон обрушений, внедрение которой обеспечивает безопасность горных работ и сохранность объектов на поверхности, что имеет важное народнохозяйственное и социальное значение.

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

1. Разработан инженерный метод расчета нагрузок на МКЦ на перекрывающихся залежах, учитывающий жесткость конструкции из соосных целиков. Установлена корреляционная связь между прочностью и нагрузкой на МКЦ, сглаживающая негативные последствия их колебаний. Показано, что наиболее угрожаемыми участками по разрушению МКЦ являются границы перекрытия залежей в плане. Установлен характер разрушения МКЦ с трансверсально изотопными свойствами, обусловленными доминирующим развитием одной системы крутопадающих трещин. Сформулированы принципы взрывной отбойки МКЦ, обеспечивающие необходимую степень дробления при минимальном разлете руды.

2. Определены условия возникновения и торможения цепной реакции разрушения целиков. Предложено по соотношению фактического и граничного коэффициентов запаса прочности классифицировать МКЦ на 3 категории: I - разрушенные; II -неустойчивые, которые могут быть вовлечены в цепную реакция разрушения; III -устойчивые, способные остановить цепную реакцию разрушения.

3. Обоснована возможность частичной отработки предохранительных целиков стволов и промплощадок шахт с извлечением 40-60% руды и оставлением жестких рудных целиков, обеспечивающих пренебрежимо малые сдвижения и деформации налегающей толщи.

4. Разработана модель обрушения налегающей толщи поперечным сдвигом до поверхности, предложены критерии образования провала, даны статистические оценки параметров модели. Показано, что на участках изометричной формы в плане условия выхода обрушекия на поверхность выполняются, если тектонические напряжения разгружены по сравнению со средним уровнем в 2 раза и превышают гравитационные не более, чем в 2,2 раза; доля таких участков, где возможно самообрушение налегающей толщи, от общей площади Жезказганского месторождения составляет 8-14%.

5. Установлены зависимости параметров радиальной разгрузки массива вокруг карьеров от природного поля напряжений. Показано, что основным геомеханическим процессом при открытой повторной разработке является субгоризонтальное смещение бортов, приводящее к накоплению сдвигающих напряжений на уровне дна и нагружению МКЦ под бортом карьера сжатием со сдвигом. Выявлен механизм разгрузки касательных напряжений путем проскальзывания подсеченной

карьером налегающей толщи относительно подстилающих пород по поверхностям пологого залегания. С учетом этого эффекта обоснована возможность открытой разработки разделительного целика без закладки выработанного пространства под бортом и увеличение угла наклона борта до 48 град.

6. Обосновано различие устойчивости законтурных массивов по периметру карьеров за счет перераспределения в налегающей толще тектонических напряжений. Разработаны схемы сдвижения бортов карьеров при подработке подземным способом в зонах разгрузки и концентрации окружных напряжений, предложены методы оценки устойчивости подрабатываемых бортов в данных условиях. Определены допустимые границы повторной разработки под бортами действующего карьера, условия совмещения открытой и подземной разработки разделительного целика. Рекомендовано развивать комбинированную повторную разработку в отступающем порядке от карьера в массив.

7. Установлена зависимость характера сдвигания налегающей толщи и ее взаимодействия с закладочным массивом от природного поля напряжений. Предложены методики расчета сдвижения горных пород и давления на закладку в режимах заданных нагрузок при образовании зоны обрушения и заданных деформаций при зависании кровли. Получена зависимость угла максимальных сдвижений от угла падения залежи и соотношения тектонических и гравитационных напряжений. Выявлен и аналитически описан процесс восстановления несущей способности разрушающихся целиков в ходе запредельного деформирования за счет бокового подпора заклад-кой.Разработана методика расчета сдвижения налегающей толщи при торможении процесса разрушения МКЦ под охраняемыми объектами на поверхности породной закладкой.

8. Определены закономерности перераспределения тектонических напряжений в налегающей толще вокруг зон обрушений с выходом на поверхность. Выявлены зоны, в которых возможно появление удароопасных ситуаций. Показано, что в зонах разгрузки горизонтальные смещения линейно возрастают от выработанного пространства к поверхности. Рекомендована рациональная последовательность повторной разработки обширных залежей с обрушением. Показана целесообразность развертывания фронта первичных посадок принудительным обрушением кровли в условиях бокового зажима в субширотном направлении (вкрест действия в массиве максимальных тектонических напряжений) и вторичных посадок самообрушением кровли в субмеридианальном направлении. Для развития зон обрушений в субширотном направлении рекомендовано отрабатывать флексурные зоны. Предложена методика расчета предельных обнажений висячего бока во флексурах. Определена перспектива широкомасштабной повторной разработки Жезказганского месторождения с самообрушением кровли после извлечения рудных целиков за счет снижения общего уровня горизонтальных напряжений в подработанной толще пород и их концентрации в подстилающей толще.

9. Результаты исследований использованы в нормативных документах, внедрены в рабочие проекты и практику повторной разработки открытым и подземным способами на всех рудниках НПО Жезказганцветмет с общим экономическим эффектом 100 млн.руб. (в ценах 1991 г. при долевом участии автора 25%). Использование рекомендаций позволит избежать неконтролируемых разрушений МКЦ и обрушений налегающей толщи и связанных с этими процессами потерь руды, воздушных ударов, разрушений объектов на поверхности.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Устойчивость горноразведочных выработок в полях тектонических напряжений //Изв. ВУЗов. Геология и разведка. - 1979. -N7. - с.126-128 (Л.Г. Грабчак).

2. Упрочнение междукамерных целиков закладкой в запредельном состоянии // Деп. ВИНИТИ. -N988-80. -12с.

3. Оценка влияния трещиноватости на устойчивость массивов горных пород // Горный журнал. -1980. -N10. -с.42-44 (В.И.Борщ-Компониец, Е.А.Крайнев, А-ПЛогинский).

4. Перераспределение горного давления при частичном извлечении междукамерных целиков // Изв. ВУЗов. Горный журнал.-1980. -N8. -с.9-12 (В.И.Борзд-Компониец).

5. Аналитическая модель запредельного деформирования целика в закладке // Рациональное использование минеральных ресурсов и охрана недр. -Белгород: изд. ВИОГЕМ, 1980. -с.97-100 (Г.Г.Суржин).

6. Упрочняющее действие закладки на целики, ослабленные выработками // Изв. ВУЗов. Геологи» и разведка. -1981. -N4. -с. 151-156.

7. Особенности проявлений горного давления при отработке мощных пологих рудных залежей / / Горный журнал. -1984. -N1. -с.52-56 (Т.М.Урумов, В.В.Костюченко, В.И.Борщ-Компониец).

8. Взаимодействие налегающей толщи и закладочного массива при разработке пологих рудных залежей // Горный журнал. -1984. -N4. -с. 55-56 (О.НЗайцев, ЮА.Лебедев).

9. Структурное ослабление междукамерных целиков трещинами в сложнонапряженном состоянии // Изв. ВУЗов. Горный журнал. -1985. -N1. -с.30-33 (В.И.Борщ-Компониец).

10. Упрочнение междукамерных целиков предварительно напряженными анкерами // Горный журнал. -1985. -N3. -с.50-53 (В.В.Костюченко, В.И.Борщ-Компониец, А.С.Поляков).

11. Горное давление при отработке мощных пологих рудных залежей // М.: Недра. -1986. -270с. (В.И.Борщ-Компониец).

12. Сдвижение горных пород при отработке мощных залежей камерно-столбовой системой // Горный журнал. -1987. -N7. -с.49-54 (А.В.Азарнов, Э.В.Файдель).

13. Устойчивость междукамерных целиков на ослабленных участках Жезказганского месторождения // Горный журнал. -1987. -N8. -с.57-60 (0-Н.Зайцев).

14. Управление напряженным состоянием междукамерных целиков при повторной разработке мощных залежей // Напряженное состояние массивов горных пород. - Новосибирск: изд. ИГД СО АН СССР, 1988. -С.108-1П.

15. Прогнозирование и управление процессом сдвижения горных пород при камерно-столбовой системе разработки // Тр. УШ Международного конгресса по маркшейдерскому делу. Т.10. - Ленинград. - 1988. -с.130-137 (В.И.Борщ-Компониец, Х.Майкснер).

16. Управление горным давлением при подземной разработке руд / / Горный журнал, - 1989. -N1. -с.54-57 (В.И.Борщ-Компониец, Э.В.Файдель).

17. Геомеханические проблемы разработки месторождения Альтенберг //Горный журнал. - 1989. -КЗ. -с.58-60 (М.Зигмундт, Т.Шмидт).

18. Управление геомеханическими процессами при разработке пологопадающих залежей // Напряженное состояние массивов горных пород и управление горным давлением. - Фрунзе: Илим. -1990. с.34-41 (В.И.Борщ-Компониец, Э.В.Файдель).

19. Определение рациональных параметров междукамерных целиков с учетом их анизотропных свойств // Охрана недр и окружающей среды на основе комплексного использования минерального сырья. - Усть-Каменогорск: изд. АН КазССР. 1989. - с.84-86 (А.С.Поляков).

20. Выбор рациональных методов управления горным давлением при повторной разработке пологих рудных залежей // Проблемы горного давления на больших глубинах. - Кривой Рог: изд. НИГРИ. - 1990. -с.17.

21. Обоснование оптимального способа упрочнения междукамерных целиков // Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации подземных рудников. - М.: изд. МГИ. -1990. -с.99-100.

22. Реконструкция природного поля напряжений по данным измерений в борту карьера // Тр. XI всесоюзного семинара по измерению напряжений в массиве горных пород. - Новосибирск; изд. ИГД СО АН СССР. - 1990 (В.С. Мякишев, Р.Б.Юн).

23. Управление сдвижением горных пород при разработке пологах залежей под охраняемыми объектами // Горный журнал. - 1990. -N11.- с.54-56 (М.Э.Слоним, Э.В.Файдель).

24. Влияние природной трещиковатости и поля тектонических напряжений на напряженно-деформированное состояние междукамерных целиков // Деп. ВИЭМС. -К847-МГ90. - 17с. (А.С.Поляков, В.П.Цыпнятов).

25. Прогнозирование поведения налегающей толщи при извлечении барьерных целиков с закладкой // Физические процессы горного производства. - М.:изд. МГИ. -1991.-е. 45 (Р.Б.Юн).

26. Прогноз смещений горных пород на контуре кровли горных выработок П КИМС. - 1991. - N9. (Э.В.Файдель).

27. Сдвижение горных пород при комбинированной повторной разработке пологих рудных залежей // Маркшейдерский вестник. -1992. -N1. - с.79-88 (В.И.Борщ-Компониец).

28. Сдвижение горных пород при повторной разработке пологих рудных залежей подземным способом // Маркшейдерский вестник. - 1993. - N1. - с.46-56 (В.Г.Яковенко).

29. Особенности сдвижения налегающей толщи при извлечении целиков I/ Маркшейдерский вестник. - 1993. - N2. -с.38-42 (Р.Б.Юн).

30. Опыт рациональной разработки Альтенбергского оловянного месторождения // Горный журнал. - 1993.- N7.-с.58-61 (А.Краузе, В.И.Борщ-Компониец).

31.Геомеханические процессы при открытой повторной разработке пологах рудных залежей // Горный журнал. - 1993. -N6.-с.41-45 (В.И.Борщ-Компониец, Т.Т.Урумов).

32. Условия выхода обрушения на поверхность при повторной разработке пологих рудных залежей // Горный журнал. - 1993. - N8.- с.7-12. (В.И.Борщ-Компониец).

33. Геомеханическое обоснование рациональной технологии разработки флексурных зон // Горный журнал. - 1993. -N8. - с.17-22 (М.И.Жаркенов, В.И.Борщ-Компониец, Е.К.Салыков).

34. Проблемы обеспечения устойчивости целиков при разработке перекрывающихся залежей // Горный журнал. - 1993. - N11. - с.52-56 (М.И.Жаркенов, В.И.Борщ-Компониец, Н.Г.Бухаров, В.Г.Яковенко).

35. A.C. N 1434110 СССР. Буропогрузочный горизонт / МГРИ. - Опубл. Б.И. - 1989. - N3 (В.И.Борщ-Компониец, В.С.Мякишев, Э.В.Файдель).

36. Патент N1 1454970 СССР. Способ повторной разработки рудных залежей /МГРИ. - Опубл. Б.И. - 1989. - N4 (В.И.Борщ-Компониец, Э.В.Файдель, В.Г.Яковенко).

37. A.C. N 1627702 СССР. Целик /МГРИ. - Опубл. Б.и. - 1991. - N6 (А.С.Хан).

38. Оценка устойчивости борта карьера при подработке его шахтой // Доклады всесоюзного симпозиума Геомаркшейдер-1.- М.: изд. Гипроцветмет. - 1991. -с.106-108 (Р.Б.Юн).

39. Modellirungvon geomechanischen Prozessen beim Abbau von Ffözlagerstätten mit Hilfe der MFE // Freiberger Forschungshefte. A637. - 1980. - s. 21-26 (D.Rotter u.a.).

40. Geomechanisch begründete Projektirung von Abbauelementen beim Abbau mächtiger Erzlagerstätten der flachen Lagerung mit Versatz // Neue Bergbautechnik. - 1984. - Hf.10. - s.377-380 (D.Rotter u.a.)

41. Gebirgsbewegungen beim Abban von Erzlagerstätten im Kammer-Pfeiller-Bau // Berg - und Hüttenmännischer Tag. - Bergakademie Freiberg. - Referate: Hf.A. -1986. - s.57-58 (J.Fenk).

42. Die Gebirgsbeherrschung beim Abbau von Erzlagerstätten in der UdSSR //Neue Bergbautechnik. - 1987. - Hf.3. - s.81-85 (M.Siegmundt).

43. Assessment of the pillar stability when mining inclined overlapping copper seams // Zambian Journal of applied EarthSciences. Vol.6, No.2, Dec.1992, p.p. 59-65 (N.G.Boukharov).

Издательство НПК "Гемос Лтд"

Объем 2 у.п.л. Гарнитура "Тайме" Тирах 100 экз.

Адрес НПК "Гемос Лтд" : Москва, ул. Красноказарменная , дом 2 Телефон: 261-93-24, 267-33-50, Факс: 267-32-46