автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Управление состоянием массива при подземной отработке месторождений руд черных металлов в сложных гидрогеологических условиях



о

Ч-Со

Па правах рукописи

ЖУРИН Сергей Николаевич

УДК [ (622.02 : 553.3) : (622.272.6 : 622.234.5 : 622.83 : 622.843) ]

043.3

УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ МАССИВА ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ОТРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ РУД ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ В СЛОЖНЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность 05.15.11 — «Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 19Я8

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте по осушению месторождений полезных ископаемых, защите инженерных сооружений от обводнения, специальным горным работам, геомеханике, геофизике, гидротехнике, геологии и маркшейдерскому делу (ВИОГЕМ).

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. КАТКОВ Г. Л., докт. техн. наук, проф. КУЗЬМИН Е. В., докт. техн. наук, проф. ЮФИН С. А.

Ведущее предприятие— Государственное федеральное уни тарное предприятие Научно-исследовательский институт гор ной геомеханики и маркшейдерского дела (ГФУП ВНИМИ)

Защита состоится « » . . . 1993 ГОд;

<5*

в : . . час. ■ на заседании диссертационного совет.' Д-053.12.06 Московского государственного горного универси тета по адресу: 117935, г. Москва, Ленинский пр., 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мое ковского государственного горного университета.

Автореферат разослан « » . 1998 г

Ученый секретарь диссертационного совета

докт. те: н. наук, проф. БАКЛАШОВ И. В

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Современные тенденции развития рудной базы промышленности предполагают повышение качества добываемого сырья, постоянную компенсацию выбывающих мощностей по добыче руд, рост обеспеченности предприятий разведанными запасами. Рудная база России остро нуждается в поддержании и развитии, поскольку в настоящее время содержание железа в добываемых рудах ниже мирового в 1,5-1,8 раза, а разведанные запасы руд почти на половине горнодобывающих предприятий ниже нормативных в 2-3 раза. Решение этой проблемы сдерживается тем, что большое количество месторождений высококачественных руд черных металлов залегают о сложных горно-геологических условиях, характеризующихся значительной глубиной и зачастую обводненностью вмещахицих пород и самих рудных тел. В частности, более 50% железорудных месторождений I , зсии, отработка которых предполагается или ведется подземным способом, являются обводненными или интенсивно обводненными.

Накопленный опыт эксплуатации месторождений показывает, что горные работы в сложных гидрогеологических услс чиях сопровождаются качественным возрастанием степени влияния геомеханических процессов на функционирование горного предприятия в целом и возникновением новых специфических явлений в горном массиве. Слабая разработанность способов управления состоянием массива в таких услов! :х ведет либо к применению избыточных специальных мероприятий и увеличению себестоимости продукции, либо к недостаточному учету последствий процессов, возникающих при отработке, и ...,лигельным трудностям при эксплуатации вплоть

до остановки . или ликвидации горнодобывающего предприятия..

Таким образом, актуальность работы, направленной на разработку способов управления состоянием массива при добыче руд черных металлов подземным способом в сложных гидрогеологических условиях обусловлена настоятельной необходимостью вовлечения в эксплуатацию месторождений со сложными гидрогеологическими условиями, слабой разработанностью данного вопроса и невозможностью выбора способов управления■состоянием массива на основе стандартных решений или по аналогии.

Диссертационная работа выполнялась в соответствие с отраслевыми заказами Министерства черной металлургии СССР и тематическими планами НИР института ВИОГЕМ, в которых автор принимал участие как исполнитель ( № гос. регистрации 01850009935, 01860015349, 01870015692, .01880008446, 01890058651) и руководитель работ ( № гос. регистрации 01840007521, 01880083343, 01880080344, 01890058651, 01890072871, 01900031393, 01900003194, 01920002109, 01920012659, 01960000123, 01960009621, 01960010589), "Программой создания и освоения технологии скважинной гидродобычи богатых железных руд КМА" (приказ Мингео СССР и МЧМ СССР № 216/314) и проектом Миннауки РФ "Создание технологии скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых"(приказ Миннауки РФ 054 от 31.03. 1992г.).

Целью работы является разработка и геомеханическое обоснование способов управления состоянием массива, обеспечиваххсих эффективную и безопасную эксплуатацию месторождений руд черных металлов в раси<ир1 -том диапазоне гидрогеологических условий ведения горных работ.

Идея работы заключается в использовании зависимостей напряженного состояния массива от размеров, формы и расположения добычного пространства и гидродинамического режима пластовой жидкости для регулирования устойчивости, деформирования и разрушения массива а зонах взаимовлияния горных работ и водоносных горизонтов.

Задачи исследований.

1.Исследование деформирования и разрушения горных .пород в лабораторных условиях для обоснования наиболее рациональных расчетных схем прогноза напряженно-деформированного состояния массива.

2.Исследование влияния деформационных параметров неоднородного массива и зон техногенного воздействия, их формы и расположения на формирование полей напряжений, деформаций и смещений при ведении горных работ. Развитие исследований распределения естественных полей напряжений КМА.

3.Совершенствование программно-математического обеспечения персональных вычислительных машин для прогноза геомеханических процессов, протекающих при ведении горных работ в сложных гидрогеологических условиях.

4.Разработка и совершенствование методов измерения естественных полей напряжений обводненного массива и контроля сдвижения обводненной мощной толщи наносов.

5.Установление зависимостей распределения напряжений в системе "камеры-целики" с изолированным камер ж пространством от параметров камер и типа закладочного материала, а также установление закономерностей разрушения целиков этажно-камерной системы во времени.

6.Установление закономерностей депрессионного уплотнения массива горных пород при нестационарном и энакопера-

менном изменении напоров в водоносных горизонтах и при одновременном протекании процесса сдвижения от очистных работ.

7.Установление закономерностей формирования техногенных полей напряжений при скважинной гидродобыче в локальном и региональном масштабах.

8.Разработка технических решений, использующих установленные закономерности для управления состоянием массива.

Методы исследований. Основные научные и практические результаты диссертационной работы получены с использованием комплексного метода исследований, включающего решение теоретических задач методами механики сплошной среды; проведение экспериментальных исследований в лабораторных и натурных условиях; физическое моделирование и численное решения задач на ЭВМ с использованием метода конечных элементов; промышленные испытания разработанных схем ведения горных работ.

Научные положения, представленные к защите:

1. В верхней части кристаллического фундамента горных пород КМА доминирует гравитационная составляющая поля напряжений, вклад тектонической составляющей зависит от соотношения деформационных характеристик пород.

2.Процесс разрушения стенок целиков в скальных породах при средних напряжениях ниже предела длительной прочности носит случайный характер и .описывается как полумарковский .

3.Ступенчатое снижение нейтрального давления с управляемой стабилизацией в течение времени, необходимого для ааверсения первичной консолидации, приводит к снижению сжимаемости пород на последующих стадиях нагружония.

4.Оседания поверхности, вызванные депрессионкым уплотнением пород, линейно зависят от снижения напоров подземных вод любой продолжительности, протекают одновременно со еду кением от очистных работ и имеют необратимый характер.

5.Устойчивость выработанного пространства в рыхлых богатых железных рудах зависит от давления пластовой жидкости, используемого в геомеханических моделях в качестве дополнительного силового воздействия.

Достоверность научных положений обоснована: принятыми в работе теоретическими предпосылками, базирующимися на фундаментальных положениях механики сплошных сред и теории подобия; многочисленными экспериментами по изучению геомеханических процессов в массиве горных пород и моделированием их на эквивалентных материалах и ЭВМ; опытно-промышленной проверкой и внедрением разработанных рекомендаций в различных горно-геологических условиях месторождений КМА. и Украины; сходимостью результатов расчетов , лабораторных и натурных экспериментов.

Научная новизна работы:

впервые экспериментально определены значения естественных напряжений в кристаллическом фундаменте КМА на глубинах свьпие 400 м, в зонах, сложенных раэномодульными породами, и выявлена доминирующая составляющая естественного поля напряжений;

предложена и обоснована вероятностно-статистич^хая модель процесса разрушения стенок целикоа в скальных породах при средних ' напряже!шях ниже предела длительной прочности;

эксперим 1тально подтверждена гипотеза об одновременности протекания процессов сдвижения горных пород от очи,-

стных работ и. водопонижения и о необратимости процесса депрессионного уплотнения, установлен приоритетный характер первичной консолидации для глубокозалегающих пород при высоких значениях напоров подземных вод, обеспечивающий возможность использования линейных моделей деформирования пород, и обнаружен эффект снижения сжимаемости при ступенчатом уменьшении пластового давления;

выявлены закономерности изменения объемного напряженного состояния в элементах камерной системы разработки с изолированными камерами от геометрических параметров, формы и взаимного расположения камер;

расширена область применения камерных систем раа^лботки в сложных гидрогеологических условиях, экспериментально подтверждена возможность использования для прогноза геомеханического поведения обводненных рыхлых железных руд принципа эффективных напряжений Практическая ценность работы.

1. Разработано программно-математическое обеспечение для оперативного прогнозирования геомеханических процессов на современной аппаратной платформе и методика прогноза деформаций при водопонижении.

2.Усовершенствована на уровне изобретений аппаратурная и методическая реализация метода измерений напряжений в массиве путем использования гидроразрыва скважин (а. с. 1439221, 1486600), разработан новый способ определения смедений массива рыхлых обводненных пород на больших глубинах (а.с.1778300).

3.Разработаны новые варианты системы отработки мощных месторождений устойчивых руд (а.с.164 3365, 1701912) и способы скважинной гидродобычи полезных ископаемых на большие глубинах (а.с.1693247, 1774018, патент 2038480).

8

4.Предложены способы зашиты горнотехнических сооружений в массиве, основанные на управлении гидродинамическим режимом пласта.

Реализация аботы. Разработанные технические решения, научные положения и разработки использованы институтами Центрогипроруда и ВИМС, а также внедрены на ряде горнодобывающих предприятий страны (комбинате "КМАруда", АООТ "Гидроруда", Таврическом опытно-промышленном ГОКе). Экономический эффект внедрения результатов исследования составил 450 тыс. руб. в ценах 1988 г.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и обсуждались на международных симпозиумах: "Крупные пустоты горных пород" ("Large Rock Caverns", Хельсинки, 1986), "Горные породы на большой глубине" ("Rock at Great Depth", По, 1989"),"Проблемы безопасности и охраны окружающей среды в горном деле" (Safety and Environmental Issues in Rock Engineering, Лиссабон,1993), "Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях" (Белгород, 1991, 1993, 1995, 1997), "APCOM'97" (Москва, 1997), Международной конференции "Геомеханика в горном деле - 96" ( Екатеринбург, 1996) , Первом Советско-югослав.ском симпозиуме по проблемам скважинкой гидравлической технологии (Москва,1991), Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1984), Всесоюзных научно - технических конференциях: "Комплексное исследование физических свойств пород и процессов" (Москва, 1987), "Теория и практика проектирования строительства и эксплуатации высокопроизводительных подземных рудников" (Москва, 1990), Всесоюзном симпозиуме

"Геомаркшейдер - 1" ( Москва, 1991 ), Всероссийской конференции "Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых" Новосибирск, 1994), IX Российской конференции по механике горных пород (Санкт-Петербург, 1997), отраслевых научно-технических конференциях Министерства черной металлургии СССР: "Влияние обводненности на основные технологические процессы в горном деле и строительстве" (Белгород,1984), "Проблемы горного давления при ведении подземных горных работ" (Кривой Рог,1990), "Совершенствование комплексной разработки рудных месторождений"(Кривой Рог,1990).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 38 работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, б глав, заключения и 5 приложений, изложенных на 382 страницах машинописного текста, включая 92 рисунка, 37 таблиц, список литературы из 266 наименований.

Автор выражает глубокую признательность проф. Казикаеву Д.М. и проф. Стрельцову В.И. за научные консультации, ценные советы и внимание к -работе, Косякову С.И. , Тарасютину В.М., Фомину Б.А. и сотрудникам лаборатории горного давления и сдвижения горных пород института ВИОГЕМ за помощь при проведении исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Сложность горнотехнических и гидрогеологических условий месторождений определяется следующими факторами: большая глубина, слс-ная морфология рудных тел, слабоустойчивые руды, мощная толща слабых покрывающих пород, наличие комплексов напорных водоносных горизонтов. Управление состоянием массива для месторождений руд черных металлов дополнительно осложняется в силу значительно больших объемов добычи и низкой стоимости добываемого минерального сырья по сравнению, например, с месторождениями цветных металлов. Это обуславливает качественные отличия а средствах и методах решения геомеханических и технологических задач.

Разработка основ механики горных пород, конкретизация и развитие отдельных направлений, касающихся темы исследований, осуществлены коллективами институтов ВИОГЕМ, ВНИМИ, ВостНИГРИ, ГИ КНЦ РАН, ИГД • им.А.А.Скочикского, ИГД СО РАН, ИГД МЧМ РФ, ИГТМ АН Украины, ИПКОН РАН, МГГА, МГГУ, НИГРИ, НШКМА, КГРИ, СПГГИ, а также И.В.Баклащовым, В.И.Борщ-Компонийцем, М.А.Иофисом, Э.В.Каспарьяном, Ю.М.Либерманом, К.В.Руппенейтом,

И.А.Турчаниновым.

В области прогноза и моделирования геомоханических процессов применительно к задачам подземной разработки наиболее известные результаты получены М.Н.Будько, Ю.И.Васильевым, В.Виттке, Ю.Н.Ефимовым, В.В.Жуковым, О.Зенкевичем, М.В.Кирпичевым, Г.Н.Кузнецовым, Л.Са-герлиндом, Л.Б.Сапожкиковым, А.П.Троицким, С.Б.Уховыи, Н.Чангом, С.А. Юфиным. Эффективность использования методических разработок зтих авторов в настоящее время может быть значительно повышена за счет применения ссврснакнюс

средств вычислительной техники. Однако даже в случае отсутствия принципиальных технических трудностей при моделировании вопрос выбора и обоснования адекватной геомеханической модели остается, как правило, весьма сложной задачей, требующей индивидуального решения даже для отдельных участков шахтных полей. Это приводит к необходимости совершенствования методов и средств контроля состояния массива, которые, несмотря на прогресс в их разработке, освещенный в работах В.И.Борщ-Компонийца, Г.А.Каткова, И.А.Турчанинова, В.С.Ямщикова и др., требуют постоянного развития. Тесно примыкает к этой задаче и проблема достоверного установления свойств и состояния массива, используемого в геомеханических моделях. Для месторождений со сложными гидрогеологическими условиями особую важность приобретают свойства двухфазных гетерогенных сред, которыми являются обводненные горные породы. Сложность и многоплановость этой проблемы нашла отражение в работах С.С.Вялова, Н.Н.Веригина, И.В.Гармонова, Н.М. Герсеванова, М.Н.Гольдштейна, А.А.Ко-ноплянцева, Ф.В.Котлова, Н.Н.Маслова, С.Р.Месчана, В.А.Мироненко, Д.В.Тейлора, К.Терцаги, В.А.Флорина, Л.Шукле. Следует отметить, что глубокозалегающие массивы с высокими напорами подземных вод, подверженные специфическому длительному воздействию подземных горных работ и мощных дренажных систем, изучены значительно слабее по сравнению с приповерхностной частью горного массива. В частности, в настоящее время нет единого мнения о характере депрессионного уплотнения массива горных пород при нестационарном и знакопеременном изменении напоров в водоносных горизонтах, а также при одновременном протекании процесса сдвижения от очистных работ.

12

Значительный вклад в решение проблемы устойчивости и выбора рациональных параметров горнотехнических сооружений для необводненных массивов внесен М.И.Агошковым, А.А.Борисовым, В.И.Борщ-Компонийцем, Н.А.Давыдовой, Н.П.Ерофеевым, Ж.С.Ержановым, В.В.Жуковым, Д.М.Ка-' зикаевым, Е.А.Мельниковым, М.М.Протодьяконовым, Ю.Н.Серегиным, В.Ф.Трумбачевым, JI.Д.Шевяковым, П.М.Цимбаре-вичем. В то же ' время расчетам прочности . высокоответственных сооружений с учетом факторов, адекватным сложным гидрогеологическим условиям, посвящено значительно меньшее количество работ, среди которых труды И.В.Бакланова , В.В.Болотина, А.М.Гальперина, А.П.Дмитриева, В.А.Кироненко, Г.Я.Новика, А.Р.Ржаницина, A.M.Пафаранко, В.!}.Шейнина. Поэтому вопросы прогнозирование и контроля состояния высокоответсвенного горнотехнического сооружения во времени и, как следствие, выбора рг'циональных параметров его несу]дих элементов остаются практически открытыми.

В области скважинной гидродобычи - наиболее перспективного и активно развивающегося в последнее врокгс геотах-нологического направления освоения месторождений в сложных гидрогеологических условиях - сделаны практически только первые шаги, отраженные в исследовательских работах и технических решениях В.!".Аренса, Г.Ю.Абрамова, Н.И.Бабичева, В. А. Дмитриева, В. Л . Колибабы В . В . Петрищева, М.М.Смирнова, Е.Г.Фонберштейна, Э.И.Чернея.

Железорудные и марганцевые месторождения КМА и юга Украины представляют собой уникальную базу для решения основных задач отработки месторождений в сложных гидрогеологических условиях. Обводненность налегающей толци пород и, как правило, полезного ископаемого, расположение

в толще массива питьевых горизонтов, сильная неоднородность . массива по прочностным параметрам, наличие ценных сельскохозяйственных угодий, развитой инфраструктуры над месторождениями и достаточно большое количество осваиваемых месторождений обусловили выбор этих регионов в качестве экспериментальной базы исследования.

При отработке месторождений в сложных гидрогеологических условиях массив горных пород служит, как правило, основным конструкционным материалом горнотехнических конструкций и одновременно средой, поведение которой определяет саму возможность существования подземного горнодобывающего предприятия. В связи с этим выделе! ■ I три основные геомеханические схемы ведения горных работ в зависимости от степени чувствительности технологических процессов или отдельных сооружений горнодобывающего предприятия к присутствию воды в зонах техногенного воздействия или к возникновению специфических геомеханических процессов, обусловленных изменением гидродинамического режима (рис.1).

Развитие технологии горных работ в современных условиях характеризуется переходом от сравнительно простой и широко используемой геомеханической схемы 1 к наиболее сложной схеме 3 и отражает стремление к освоению глубо-козалегающих месторождений с высокими напорами подземных вод при одновременном повышении безопасности горных работ эа счет устранения персонала непосредственно ич зоны добычи. При этом расширение диапазона горногеологических условий осваиваемых месторождений сопровождается возникновением новых геомеханических процессов, требутк^их учета и управления на основе установления закономерностей их протекания.

14

4 и.

г

4

Ь

Г"

4

заика

г

т2

1

И

п

Рис. 1. Геомеханические схемы ведения горных ра^^т в сложных гидрогеологических условиях а) геомеханическая схема 1( изоляция водоносных горизонтов от зоны ведения горных работ) ; б) геомехакическая схема 2 ( взаимодействие водоносных горизонтов и зоны ведения горных работ); в) геомехакическая схема 3 (зона ведения горных работ непосредственно в водоносном горизонте без существенного изменения гидродинамического режима). 1 - зона ведения горных работ, 2 - зона воздействия на водоносный горизонт вспомогательных процессов, 3 -зона использования пластовой жидкости в основных технологических процессах, 4 - зона обводнения

Базисом способов управления состоянием массива являются методы прогноза и контроля геомеханических процессов, включающие в себя средства расчета и измерения напряжений и деформаций.

Для проведения работ по численному моделированию методом конечных элементов автором совместно с сотрудниками лаборатории геоинформационных технологий института ВИОГЕМ, разработан программный модуль DIGIT, предназначенный для определения напряженно-деформированного состояния объемной геомеханической модели породного массива под действием собственного веса пород и заданными нагрузками. При этом по сравнению с ранее известными отечественными программными комплексами переработан и дополнен ряд алгоритмов, относящихся к объемной статической задаче, сняты ограничения на размерность модели и произведена адаптация модуля к требованиям персональных ЭВМ (операционная система MS DOS и Windows, язык программирования - Borland Delphi, программное средство организации данных -. СУБД NetBase) .

Главные особенности сдвижений при оодопонихсении и очистных работах в сильнообводненных породах заключаются п преобладании вертикальных оседаний .поверхности на обширных площадях и развитии процесса в толщах пород, допускающих сооружение скважин для доступа в массив только с обсадными трубами. Эти особенности определили выбор методов наблюдений, в качестве которых автором использованы высокоточное нивелирование поверхностных реперных сетей и наблюдения за сдвижением массива с использованием естественных реперных точек скважинными геофизическими методами. Методика наблюдений : а сдвижением поверхностных реперных точек геодезическими методами от-

личалась от регламентируемой типовыми инструкциями характером выбранных типов опорных реперов, располагаемых за пределами развития мульд депрессионного уплотнения с одновременны- контролем уровня грунтовых вод в непосредственной близости от реперов. Принципиально усовершенствован метод проведения скважинных наблюдений за сдвижением пород в толще массива с использованием искусственных или естественных радиоактивных реперов, сущность которого заключается в создании или выделении в массиве радиоактивных аномалий, фиксации их первоначального положения и наблюдениями за изменением местоположения аномалии во времени. Повышение точности определения изменения местоположения радиоактивных аномалий достигается за счет проведения наблюдений в опорной скважине, расположенной за пределами зоны сдвижения, и использования специального метода обработки каротажных диаграмм. В г мышленных условиях достигнуто среднеквадратичное отклонение величины смещения реперов не более 7,2 см и установлена независимость погрешности измерений от абсолютного значения глубины контролируемого горизонта при.проведении наблюдений на глубинах 200-800 м.

Для непосредственного изучения напряженного состояния массива в условиях естественного залегания пород в сложных гидрогеологических условиях автором наряду с деформационными методами (полной и частичной разгрузки) использован метод оценки напряженного состояния ма^-ива на основе'анализа результатов гидравлического разрыва скважин . Применение последнего для определения напряженного состояния массива в скальных породах КМА позволило выявить особ :>нссти техники проведения измерений в слаботрещиноваты х обводненных породах и разработать новый ва-

риант устройства для проведения измерений (а.с. 1439221) . Для получения дополнительной информации о величине созданной при гидроразрыве трещины автором разработан способ определения ее обаема (а.с. 1486600).

Свойства скальных пород» в которых ведутся горные работы, решающим образом влияют на формирование напряжений в массиве, величину и характер проявления горного давления , устойчивость подземных выработок и конструктивных элементов систем разработки. Как правило, именно конструкции из скальных пород выполняют функцию основного защитного элемента подземного сооружения при первой геомеханической схеме, слагая целики различного I значения или поддерживающие элементы системы разработки. Наиболее существенные при эксплуатации месторождений в сложных гидрогеологических условиях особенности свойств скальных пород рассмотрены на примере кварцитов Короб-ковского месторождения, формирующих поддерживающие

междукамерные целики и предохранительный потолочный целик, и известняков Больше-Троицкого месторождения КМА, слагающих основной породо-мост, предотвращающий сдвижение поверхности и изолирующий зону горных работ от вышележащих водоносных горизонтов.

Лабораторными испытаниями установлено, что высокопрочные породы характеризуются весьма высокой изменчивостью прочностных (коэффициент вариации до 38%) и деформационных (коэффициент вариации до 29%) показателей как в пределах одной литологической разности, так и в предолгие весьма малых участков массива (образцов). Типичность высокого разброса практически для всех высокопрочных пород позволяет рассматривать ег как характерную черту результатов испытаний и физический аспект

процесса хрупкого разрушения. Статистическая неоднородность скальных пород оказывает определяющее влияние на процессы дефопмирования и разрушения, а пластические и реологические эффекты имеют подчиненное значение, что не позволяет использовать последние для управления состоянием массива и приводит к необходимости обеспечения дополнительного запаса прочности уже на стадии формирования модели массива за счет требования работы пород в диапазоне линейной взаимосвязи напряжений и деформаций.

Специфической особенностью рыхлых обводненных пород является сжатие пород при отборе пластовой жидкости вследствие роста эффективных напряжений при . практически неизменном общем давлении. В соответствии с этим при изучении явления деформирования были проведены эксперименты с максимально возможным приближением к натурным условиям по абсолютным величинам и характеру изменения напряженного состояния образцов (общее давление до 15 МПа, боковое давление до 10 МПа, поровое давление до 6 МПа). Методика испытаний заключалась в создании в образце условий исходного напряженного состояния (вертикальное напряжение соответствовало давлению налегающих пород над местом отбора образца, нейтральное давление воды соответствовало гидрогеологическим условиям залегания) и последующем регулируемом снижении нейтрального давления на верхнем торце образца при недопущении оттока жидкости от нижнего торца образца. Результаты опытов продолжительностью до 140 суток показали, что основной вклад ( до 95%) в процесс деформирования обеспечивает первичная консолидация и с достаточной для инженерных целей точностью общая величина деформаций от

снятия нейтрального давления определяется сжимаемостью скелета и величиной изменения эффективных напряжений. Результаты испытаний всех типов пород показали наличие линейной связи между относительными деформациями и напряжениями в течение времени, когда процесс деформирования контролируется первичной консолидацией.

Для пород с выраженной ветвью вторичной консолидации проведены испытания в двух режимах: основном, при котором поровое давление снижалось сразу до полного дренирования образца, и дополнительном, предусматривавшем снижение порового давления до величины, соответствующей 50% исходного значения, поддержание этого давления в течете времени, необходимого для завершения первичной консолидации, и заключительное снижение до нуля. Стабилизация нейтрального давления вызывает прекращение первичной консолидации и вторичную консолидацию при постоянном нейтральном давлении. Заключительное снижение нейтрального давления вновь приводит к началу первичной консолидации, деформации линейно зависят от приращения эффективных напряжений, однако сжимаемость образца на втором этапе существенно снижается, составляя 25-75% достигнутой на первом этапе нагружения.

Линейный характер деформирования установлен для рыхлых обводненных пород как при уменьшении нейтрального давления , так и при приложении внешних нагрузок. Результаты сдвиговых испытаний при значениях порового давле 1 2-6 МП а и вертикальных напряжений в диапазоне 7-13 МПа показали, что при одинаковой вертикальной нагрузке сдвигающее напряжение уменьшается с ростом нейтрального давления жидкости. При обработке результатов экспериментов установлено, что критерий Кулона-Мора с прямолиней-

ной огибающей наилучшим образом описывает разрушение рыхлых железных руд при использовании принципа эффективных напряжен1 .

Для выявления общих закономерностей.проявления геодинамических сил, обоснованного выбора расчетных схем и разработки способов управления состоянием массива автором в составе коллектива исследователей ВИОГЕМ выполнены исследования влияние типового геологического строения ру-довмедаюцего массива КМА, свойств структурных элементов и гидростатического напора пластовых вод на параметры регионального гравитационного поля напряжений с последующей экспериментальной проверкой в шахтных условиях. Численными расчетам на примере Гостищевского и Больше-Троицкого месторождений КМА. установлено, что при прочих равных условиях в породах с меньшим модулем упругости или содержащих напорные подземные воды следует ожидать снижения уровня естественного поля напряжений, особенно горизонтальных компонент в кровле кристаллического фундамента, как правило, затронутой процессами выветривания и имеющей сложную гипсометрию. •

Распределение регионального поля напряжений в верхней части кристаллического фундамента КМА с получением количественных значений напряжений изучено в ходе натурных измерений естественного поля напряжений на Коробковском ( 2 станции, глубина 255 м) и Яковлевском ( 7 станций, глубина 670 м) месторождениях. Анализ, выпол. -нный с привлечением данных Казикаева Д.М. и Фомина Б.А. по 7 станциям Коробковского месторождения в диапазоне глубин 145-370 м, позволил установить, что вертикальные напряжения линеино возрастают с глубиной. Зависимость верти-

кальных напряжений от глубины может быть аппроксимирована линейной зависимостью вида:

а = - 0,022 Н,

где а - вертикальные напряжения, МПа, Н - глубина от поверхности, м.

Практическое совпадение коэффициента регрессионного уравнения со средневзвеыенным значением объемной массы налегающей толщи пород свидетельствует об обусловленности вертикальной составляющей поля напряжений гравитационным полем и отсутствии остаточных напряжений в скальных породах исследованных месторождений.

Большинство станций для измерения естественных напряжений располагалось в зонах, потенциально наиболее опасных по фактору гидрогеологических условий: изолированные залежи, окруженные породами пониженной жесткости (сланцы Коробковского месторождения), участки массива в непосредственной близости от покрывающей толщи (верхние горизонты измерений Коробковского месторождения)или мощных залежей слабйсвязных руд (Яковлевское месторождение) . Выполненный для всех пунктов измерения регрессионный анализ зависимости горизонтальных напряжений от глубины и модуля Юнга пород показал наличие значимой связи между переменными с коэффициентами корреляции не ниже 0,95:

о = -0,007Н - 0,837Е, где а - горизонтальные напряжения, МПа, Н - глубина от поверхности, м, Е - модуль Юнга пород, 10 4 МПа.

Повышенные значения горизонтальных напряжений приурочены к участкам с высоким модулем Юнга, по которым происходит передача горизонтальной составляющей

тектонического поля напряжений.

22

Таким образом, установлено, что напряжения в верхней части кристаллического фундамента горных пород КМА (Коробковское и Яковлевское месторождения) определяются преимущественно гравитационной составляющей поля напря-• жений и соотношением деформационных характеристик пород. Современная тектоническая составляющая поля напряжений разгружается в верхней части кристаллического фундамента при снижении жесткости пород.

Для установления общих закономерностей распределения напряжений вокруг выработанного пространства выполнены расчеты напряженного состояния в окрестности одиночной камеры в форме параллелепипеда, эллипсоида и цилиндра при изменении геометрических параметров камер и соотношения деформационных свойств массива. На основе анализа полученных значений коэффициентов концентрации напряжений установлено, что управление напряженным состоянием ь •■ .сипа в окрестности одиночной камеры может быть осуществлено изменением геометрических параметров камер и регулированием отношения деформационных характеристик массива к характеристикам материала о пределах полости и в приконтурной зоне камеры.

Отличия заполненной обрушенным рудным материалом или остатками рудного скелета камеры от открытой заключаются в перераспределении максимумов концентрации напряжений в глубь массива, частичной разгрузке контура, уменьшении радиусов влияния с ростом упругости заполнягащь • материала и снижении абсолютной величины коэффициентов концентрации напряжений. Создание в окружающем камору массиве зоны повышенной деформируемости позволяет осуществить регу. -груемое снижение концентрации напряжений на контуре камеры без существенного возрастания коэффицион-

23 :

тов концентрации в массиве с одновременным расширением зоны влияния камеры на естественное поле напряжений.

При ведении горных работ в большинстве случаев выработанные пространства (камеры) взаимодействуют между собой, формируя зоны с общими коэффициентами концентрации напряжений. Численными расчетами подтверждены закономерности роста нагрузок на целики по мере возрастания степени подработки массива и показана сильная зависимость величины коэффициента концентрации напряжений в целиках от их взаимного . расположения и конфигурации. Наиболее интенсивный рост нагрузки на ленточные целики происходит при увеличении степени подработки до 30 %, когда целики воспринимают до 70-75 % нагрузки, обусловленной весом толщи налегающих пород, затем скорость нагружения при росте степени подработки снижается и 85-90 % нагрузки целики набирают при возрастании степени подработки до 80%.

Для более сложного случая, когда камеры формируют пространственную решетку целиков, рассмотрено напряженное состояние системы камер и целиков с камерами в форме параллелепипедов и цилиндров. Установлено, что напряженное состояние междукамерных целиков определяется в первую очередь минимальным размером междукамерного целика (сеткой расположения камер). Напряженное состояние непосредственной кровли камеры слабо зависит от размеров целика, определяясь поперечными размерами камеры. Сопоставление уровня и распределения напряжений для камер различной формы показывает, что при незначительном (5-10%) повышении уровня напряжений в целиках, окружающих цилиндрические камеры, размеры зоны действия максимальных напряжений по высота целика сокращаются до 50%

24

по сравнению с размерами этой зоны для целиков, оконту-ривающих прямоугольные камеры. Проверка результатов расчетов выполнена путем ■ измерения фактического напряженного состояния целиков в условиях Коробковского месторождения. Измерения показали полное качественное совпадение с результатами расчетов напряженного состояния. Натурные измерения и результаты расчетов показывают, что при интенсивном развитии горных работ различия в нагружении элементов системы целиков сравнительно невелики, что позволяет рассматривать их как единую систему. Это обеспечивает возможность выделения в расчетной схеме системы "целики- камеры-потолочина" элемента "камеры-целики" независимо от формы и конфигурации камер. Элемент "камеры-целики" может рассматриваться как упругое деформируемое основание, на котором располагается потолочный целик.

Сложность гидрогеологических условий требует исключительно высокой надежности системы целиков в"течение длительного срока. Решение задачи прогноза изменения состояния целиков во времени осуществлено путем разработки вероятностно-статистической модели разрушения целиков . Количественным показателем степени нарушенности целика, наиболее удобным для анализа и достаточно полно характеризующим ого состояние, является максимальная глубина зоны разрушения, то есть максимальная величина отклонения фактического контура целика от проектного в глубь целика - Ь. Процесс разрушения целика во времени рассматривается как полумарковский процесс на основе применения теории случайных процессов. Поведение разрушающегося во в мени целика описано через интервально-переходные вероятности состояния - условные вероят-

ности того, что к моменту времени t глубина зоны раэру-

»

шения увеличится на если в момент времени Ъ =0

глубина зоны разрушения принята равной нулю. Уравнения для определения <&*((;) : 4>к(Ь)=1-ехр(-ЯЬ) при к=0

X

X[ехр(а) -1 ]ехр (-а к-А.^ X (£" (к-1) !Хп(ехра-1)") при к>0

0 т! (к-т-1)!(т+1)! где X и а -параметры, зависящие от наличия в целике структурных нарушений, кит- переменные суммирования, t - время.

Разработанная модели позволяет оценить вероятность возникновения в целиках зон разрушения заданной величины на заданный момент времени, и на ее основе для условий рудника им. Губкина рекомендована периодичность контроля за состоянием обнажений пород в камерах, принятая к использованию маркшейдерской службой рудника.

Полученные результаты составили основу совершенствования методики расчета геометрических параметров этажно-камерных систем разработки мощных месторождений крепких руд, а также новых вариантов системы разработки, обеспечивающих оптш-гальное сочетание надежности и эффективности отработки системой с прямоугольными камерами (а.с. 1643865) , 1-. защиту выработок вентиляционного горизонта за счет формирования разгрузочных зон для системы с цилиндрическими камерами (а.с.1701912). Рекомендованное по результатам исследований увеличение параметров очистных камер (прямоугольной формы до длит: 75 м, цилиндрической формы до диаметра 50 м при высоте до 70 м) принято к использованию на шахте им. Губкина комбинап . КМАруда и помимо прямого увеличения степени извлечения полезного ископаемого и снижения себестоимости добычи

позволяет более эффективно отрабатывать залежи сложной конфигурации и приконтактные зоны.

Ведение горных работ в условиях, соответствующих второй геомеханической схеме, предполагает техногенное изменение состояния водоносных горизонтов в результате их осушения. Наиболее опасным и малоизученным геомеханическим процессом, сопровождающим водопонижение, является де-прессионное уплотнение слоев осушаемых по^од и, как следствие, оседание поверхности. Исследование этого процесса произведено автором в 'натурных условиях на Яков-левском месторождении железных руд (площадь контроля 4 кв. км, шаг репорной сетки 200 м) и Большетокмакском марганцевом месторождении (191 репер, общая длина линий 5,9 км). Оседания поверхности на Яковлевском месторождении обусловлены работой поверхностной дренажной системы на карбоновый водоносный горизонт и осушением рудно-кристаллического горизонта в результате проходки подготовительных горных пыработок. Отключение поверхностной дренажной системы посла нескольких лет работы и последующее восстановление уровней подземных вод карбонового водоносного горизонта позволило проворить гипотезу о возможности управления деггрессионным уплотнением регулированием уровня подземных вод. На Большетокмакском марганцевом месторождении оседания поверхности были вызваны сдвижением от очистных работ и осушением водоносных горизонтов, что позволило исследовать вопросы взаимодействия процессов сдвижения.

Для этих месторождений в натурных условиях установлена линейная, близкая к функциональной, с коэффициентами корреляции но лижа 0,9, связь между оседаниями поверхности и снижением напоров в водоносных горизонтах,

что позволило принять при прогнозе оседаний теорию компрессионного уплотнения Терцаги. Оседания поверхности, вызванные депрессионным уплотнением пород проявляются при изменении уровня подземных вод любой продолжительности . Установленные закономерности позволяют получить диапазон возможного изменения максимальной величины оседаний.

Наблюдениями на Яковлевском месторождении установлено, что процесс депрессионного уплотнения носит необратимый характер, то есть восстановление уровней в осушаемых водоносных горизонтах не приводит к подъему поверхности. Восстановление уровней в водоносных горизонтах может только замедлить или остановить лоседание поверхности, что полностью согласуется с результатами лабораторных исследований, создает основу и определяет предельные возможности способов управления оседанием массива при водопонижении.

Исследование влияния на оседания массива осушения и очистных работ произведено для условий Таврического ГОКа, где оба процесса имеют ярко выраженный характер в отличие от Яковлевского месторождения, где очистные работы не ведутся, или Запорожского железорудного комбината, где влияние очистных работ на сдвижение поверхности сравнительно невелико из-за применения системы отработки месторождения с закладкой выработанного

пространства.

Установлено, что деформации от осушения водоносных горизонтов протекают одновременно со сдвижением от очистных работ. Отсутствие учета этого явления может привесаи к занижению критических углов сдвижения, определяемых по величине оседаний. Поскольку при осушении водоносных го-

28

ризонтов только значения вертикальных смещений превышают граничные значения параметров сдвижения, определяющие размеры зон влияния горных работ на поверхность, то в зонах ведения очистных работ при одновременной работе дренажных систем критические углы сдвижения должны определяться по горизонтальным деформациям поверхности.

Результаты исследований позволили разработать методику прогноза деформаций при водопонижении, в соо зстствии с которой вертикальные смещения массива определяются процессом одномерной фильтрационной и вторичной консолидации пород, горизонтальные смещения массива связаны с вертикальными смещениями условиями неразрывности деформаций в упругой постановке, а продолжительность процессов деформирования определяется скоростью дренирования пород и реологическими свойствами породного скелета.

На основе установленных закономерностей предложено несколько направлений решения задачи защиты горнотехнических сооружений в массиве, основанных на управлении гидродинамическим режимом пласта (оценка эффективности выполнена для условий Яковлевского рудника):

изменением скорости снижения уровня подземных вод дренируемых горизонтов, позволяющим уменьшить суммарную величину оседаний как поверхности, так и уплотняемых слоев (снижение вертикальных смещений до 35%);

различным распределением дренажных устройств на территории шахтного поля в зависимости от расположения защищаемых объектов, позволяющим формировать локальные мульды оседаний в требуемых зонах на поверхности и в массиве (сниже; •> горизонтальных смещений но менее чем на 29% при дополнительном возрастании вертикальных смещений до 100%, сравнительно просто компенсируемых узлами

податливости стволов);

поддержанием в районе защищаемого объекта уровня подземных вод близким к статическому путем нагнетания части откачанной на шахтном поле воды через специальные скважины в осушаемые водоносные горизонты (практически полное предотвращение вертикальных смещений с регулированием и уменьшением горизонтальных не менее чем на 34%.

В условиях весьма сложных гидрогеологических ситуаций: при неустойчивом обводненном полезном ископаемом, наличии мощной обводненной толщи покрывающих продуктивный пласт пород, под водь-лми объектами на поверхности и т.п. решающие преимущества получают геотехнологические способы добычи. Их применение существенно повышает требования к геомеханическому обеспечению процесса добычи из-за невозможности непосредственного доступа в зону очистных работ.

Возможными схемами отработки месторождения способом СГД являются односкважинная, многоскважинная фронтальная, заключающаяся в последовательном вводе в эксплуатацию рядов скважин, и многоскважинная площадная обработка залежи, заключающаяся в одновременном вводе всего комплекса добычных скважин, ведущих выемку в восходящем порядке с погашенном скважин поинтервально по высоте. Исследования, выполненные методами численного и эквивалентного моделирования, позволили выявить наиболее вероятные формы и характерные черты геомеханического поведения массива при отработке богатых железных руд способом скважинной гидродобычи.

На процессы сдвижения и разрушения массива в призабо? ной части скважины, особенно в начальный период работы, оказывают влияние неоднородность строения массива и из-

30

менение нейтрального давления пластовой жидкости, обусловленные выбранными режимами работы гидродобычных агрегатов . Анализ напряженного состояния стенок обводненных камер позволил обосновать новый способ скважинной гидродобычи, основанный на управлении напряженным состоянием массива путем динамического воздействия на воду в добычной камере и массиве (патент 2038480).

Установлено, что образующиеся при выемке богатых руд полости характеризуются низкой устойчивостью, разрушение их происходит под действием' сдвиговых и растягивающих напряжений. Время существования полостей и сама возможность их возникновения зависит помимо физико-механических свойств массива от скорости очистной выемки. Ведущая роль в процессах разрушения принадлежит обрушению кровли, поэтому стабильная длительность работы скважины с одного горизонта невозможна без мероприятий по повышению устойчивости добычного пространства в его верхней части. Одним из наиболее эффективных методов стабилизации массива может служить закрепление массива, например, путем замораживания части рудного тела (а.с.1693247), что по сравнению с другими способами закрепления массива позволяет добиваться желаемого эффекта без разубоживания руды и с применением несложного серийного оборудования. При интенсивном отборе руды с одного горизонта со скоростью, превышающей скорость заполнения камеры материалом от локальных обрушений, возможно образование полости критического размера, обрушение которой вызывает лавинное разрушение рудного массива.

Зона обрушения первичной отработки имеет экранирующее воздействие на развитие зон сдвижения в массиве руд, что делает наиболее целесообразным при последовательном вво-

де добычных скважин чередование их бурения и эксплуатации по разные стороны от зоны обрушения первичной отработки (а.с. 1774018).

Наиболее рациональной с геомеханических позиций является площадная схема отработки месторождения. Положительные стороны площадной схемы заключаются в устранении волновой динамики изменения напряженно-деформированного состояния породо-мостов покрывающей толщи в силу совпадения влияния техногенных и естественных факторов. Рудная толща, расположенная над областью ведения добычных работ, схазывает "рпмывающее" действие на концентрацию напряжений в гюродо-мостах, снижая интенсивность при равных объемах выемки по сравнению с фронтальной схемой ведения работ. И наконец, площадная схема отработки принципиально позволяет управлять процессом сдвижения массива путем создания регулируемой податливости основания (отработанной рудной толщи).

Экспериментальная проверка геомеханического прогноза произведена в хода опытных работ по скважинной гидродобыче на Шемраевском участке Больше-Троицкого месторождения в трех добычных скважинах глубиной до 800 м в период с октября 1990 г. по апрель 1995 г. при непосредственном участии автора работах по оперативному прогнозу поведения массива и текущему контролю состояния массива. Результаты оперативного и долгосрочного прогнозов подтверждались в течение всего периода экспериментальных работ.

Анализ интенсивности добычи по горизонтам и результаты инструментального контроля с использованием методов скважинной геофизики и метода контроля сдвижения с использованием радиоактивных реперов позволили установить,

32

что при скважинкой гидродобыча формируются выработанные пространства сложной «конфигурации, тяготеющие по форме к эллипсоиду, открытому или заполненному крупнообломочным материалом с ориентировкой длинной оси вдоль добычной скважины или с развитием вдоль продуктивного пласта. Доказана принципиальная возможность формирования открытых временно устойчивых очистных пространств с управляемой устойчивостью. На основании результатов ведения добычных работ в скважине 21 в интервале глубин 550-565 м установлено, что технология позволяет обеспечить извлечение богатых железных руд с удельной добычей до 659 т с метра скважины с сохранением возможности перемещения гидродобычного снаряда по всему интервалу добычи и формированием выработанного пространства высотой 10-15 м с эквивалентным радиусом до 8 м. Результаты ведения добычных работ в сква;хине 1Т в интервале глубин 595-625 и показали, что при отработке интервала мощностью 30 и и формированием выработанного пространства с эквивалентным радиусом до 5 и возможно сохранено устойчивости вышележащего массива а течение длительного времени.

Одним из следствий реализованной в работа идеи решения проблемы управления состоянием массива в сложных гидрогеологических условиях является возрастание степени использования обводненности массива как непосредственно в технологическом процесса, так и при решении вспомогательны:: задач производства. Логическим продолжением развития технологии в этой связи должно являться управляемое обводнение массива, в связи с чем следует ожидать появления новых технологических решений, осуществление которых возможно только при управляемом искусственном обводнении массива. Примером решения этого типа

являются разработанные исследовательской группой ТОО "НОВОТЭК" с участием автора и специалистов Яковлевского рудника предложения по технологии совмещения скважинной гидродобычи богатых железных руд и утилизации шахтных вод, сущность которых заключается в целенаправленном обводнении массива для обеспечения эффективной отработки руды способом СГД в пределах депрессионной воронки рудника. Сопоставление экономических показателей технологии, выполненное совместно со специалистами института ВИМС и АОЗТ "Феррум" путем укрупненной оценки стоимости утилизации шахтных в д по разработанной технологии, показало снижение эксплуатационных затрат на 58% и себестоимости на 60% , в связи с чем в настоящее время осуществлена разработка технологического регламента на проектирование опытного участка по утилизации шахтных вод, институтом "Центрогипроруда" разработана проектная документация на добычу богатых железных руд Яковлевского месторождения способом СГД и создана специализированная организация для проведения указанных работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано решение научной проблемы управления состоянием массива при подземной отработке руд черных металлов в сложных гидрогеологических условиях путем регулирования устойчивости, деформирования и разрушения массива в зонах взаимовлияния горных работ и водоносных горизонтов, основанного на установленных зависимостях напряженного состояния массива от размеров, ф-5рмы и расположения добычного пространства и гидродинамического режима пластовой жидкости, внедрение которой обеспечивает эффективность и безопасность горных работ в расширенном диапазоне гидрогеологических условий, что имеет важное народнохозяйственное и социальное значение.

Основные научные результаты, практические выводы и рекомендации диссертационной работы заключаются в следующем.

1-Для условий отработки месторождений в сложных гидрогеологических условиях усовершенствованы методы прогноза и контроля состояния массива горных пород: разработан программный модуль DIGIT для прогнозирования напряженно-деформированного состояния массива методом конечных элементов , усовершенствована аппаратурная реализация метода измерений напряжений в массиве для сильнообводненных трещиноватых скальных породах, разработан новый способ определения смещений массива рыхлых обводненных пород на больших глубинах. Методы использованы при экспериментах и наблюдениях, что позволило получить принципиально новую информацию об изучаемых обаектах и процессах.

2.Непосредственными измерениями подтверждена установленная ранее обусловленность естественного поля напряжений КМА гравитационно-тектоническим воздействием. Напря-

жения в верхней части кристаллического фундамента горных пород КМА (Коробковское и Яковлевское месторождения) определяются гравитационной составляющей поля напряжений и соотношением деформационных характеристик пород. Современная тектоническая составляющая поля напряжений разгружается в верхней части кристаллического фундамента прямо пропорционально снижению модуля упругости пород.

3.Процесс разрушения стенок целиков в скальных породах при средних нагрузках ниже предела длительной прочности описывается как пслумарковский с использованием разработанной вероятностно- статистической модели. Выбор длительности интервалов времени между моментами контроля в зависимости от достигнутой величины зоны разрушения в целике, структурных особенностей массива и заданного уровня вероятности обнаружения целиков с критической величиной зоны разрушения позволяет оптимизировать периодичность контроля, сокращая частоту проведения наблюдений в 3-4 раза.

4 .Установленные закономерности распределения объемного поля напряжений в окрестности изолированных и взаимодействующих открытых и заполненных камар, а также в системе целиков развивают, дополняют, обосновывают и устанавливают границы п>.^юни!-юати методов выбора геометрических параметров этажно-каыерных систем разработки мощных месторождений крепких руд. Управление напряженным состоянием целиков камерной системы на заданный срок эксплуатации обеспечивается изменением формы и геометрических размеров целиков, позволяя увеличить извлекаемые запасы очистных блоков, снизить удельные затраты на прс -ведение горных работ и повысить их концентрацию.

5.Депрессионное уплотнение при одностадийном снижении нейтрального давления зависит от конечной величины снижения напоров при определяющем влиянии процессов первичной консолидации. Вторичная консолидация обеспечивает не более 5% общей величины оседаний. Двухстадийное снижение нейтрального давления с управляемой стабилизацией в течение времени, необходимого для завершения первичной консолидации, приводит к снижению сжимаемости пород на последующих стадиях нагруженмя. на 25-75%.

6. В натурных условиях установлена линейная, близкая к функциональной, связь между оседаниями поверхности и снижением напоров в песчано-глинистых водоносных горизонтах. Оседания поверхности, вызванные депрессионным уплотнением пород, проявляются при изменении.уровня подземных вод любой продолжительности и имеют необратимый характер. Управление депрессионным уплотнением массива обеспечивается регулированием величины и скорости снижения напоров в осушаемых пластах, а также расположением специальных дренажных систем в районе защищаемых горнотехнических сооружений в массиве. Разработаны методика прогноза деформаций при водопонижении и методы защиты горнотехнических сооружений, обеспечивающие требуемую величину снижения смещений в массиве.

7.Выявлены наиболее вероятные формы и характерные черты геомеханического поведения массива при отработке богатых железных руд КМА способом скважинной гидродобычи, обосновывающие возможность эффективной отработки глубо-козалегающих обводненных месторождений рыхлых руд камерными системами с обрушением пород и временным поддержанием открытого очистного пространства. Снижение давления пластовой жидкости при скважинной гидродобыче

путем эрлифтирования пласта интенсифицирует процесс разрушения рыхлого массива, подъем нейтрального давления с последующими сбросами способствует разрушению прочных пропластков. Управление напряженным состоянием массива при скважинной гидродобыче обеспечивается гидродинамическим режимом работы системы "скважина - гидродобычной агрегат", порядком ведения очистных работ и направленным изменением физико-механических свойств массива. Разработаны новые варианты способов ведения горных работ способом СГД, позволяющие расширить диапазон эффективного ведения горных работ в породах с крепостью менее 1 по Протодьяконову на глубинах до 800 м и напорами- подземных вод до 7 МПа.

8.Следствием выдвинутой идеи ре:.дния проблемы управления состоянием массива в сложных гидрогеологических условиях является возрастание степени использования обводненности массива как непосредственно в технологическом процессе, так и при решении вспомогательных задач производства. Следует ожидать появления новых технологических решений, осуществление которых возможно только при управляемом искусственном обводнении массива. Предложенное искусственное обводнение массива на Якозлевском руднике, реализованное в технико-экономическом обосновании и проектных разработках, позволяет одновременно решать проблемы повышения эффективности скважишюй гидродобычи и захоронения шахтных вод.

9.Результаты исследований использованы при проектировании и внедрены на горнодобывающих предприятиях с экономическим эффектом 450 тыс. руб. (в ценах 1988 г.) при одновременном повышении безопасности горных работ и и^-

формативности систем геомеханического контроля предприятий.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: ;

1.Яурин С.Н., Фомин Б. А. Долговременное воздействие полей напряжений на конструктивные элементы камерной системы разработки // Исследование напряжений в горных породах / ИГД СО АН СССР. 1985. С.106-110.

2.Методические рекомендации по расчету геометрических параметров этаямо-камерных систем разработки мощных месторождений крепких руд / Адигамов Я.М. , Суржин Г.Г. , Фомин Б.А., Журин С.Н., Антоненко Г. К. - Белгород: ВИОГЕМ, 1985.-29 с.

3.Kazikaev D.M., Zhurin S.N. Pillar reliability evaluation with due regard for tine factor in the process of maintaining stability of large underground caverns // Large Rock Caverns: Proc.Int.Syrap. Helsinki,1986. - Oxford, 1987. P.673-680.

4.Григорьез A.M., Журин C.H., Фомин Б.А. Обоснование рациональной периодичности контроля состояния целиков этакно-камернсй системы разработки на основе геомеханических исследований // Комплекс, исследование физ. свойств пород и процессов: Таз. докл 9 Всесоззз. науч. конф. 28-30 января 1987. - М.,1987. с.125.

5.Бут»гин В.В., Журин С.Н., Фоменко К.И. Исследование прочности элементарных структурных блоков массива на основе физико-статистической модели разрушения //Комплексные исследования физических свойств горных

пород и процессов: Тез. докладов 9 Всесоюз. науч. конференции 28-30 января 1987. - М.,1987. С.7.

6.Журин С.Н., Былин И.П., Скрипченко С.И. Маркшейдерские наблюдения для контроля сдвижения массива при глубоком водопонижении // Горный журнал.- 1988.-N 7.-С.57-59.

7.Kazikaev D.M., Zhurin S.N., Fomin В.A The particularities of rock massiff current stress state in conditions of complicated geological structures on measurement data base // Rock at Great Depth, Proc.Int. Symp : 28-31 august 1989,- Rotterdam, 1989. P.1011-1015.

8.Журин C.H., Тарасютин B.M. Геомеханическая оценка выемки руд способом скважинной ги.'-родобычи // Теория и практика проектирования строительства и эксплуатации высокопроизводительных подземных рудников: Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. 1-3 февраля 1990. - М.,1990. С.127-128.

Э.Ильин А.И., Будков В.П., Николашин Ю.М., Журин С.Н. Геомеханическое обеспечение горных работ в сложных горно-геологических условиях // Горный журнал.-1990.- №2 .-С.11-13,

10.Журин С.Н. Косяков С.И. Экспериментальное исследование процесса уплотнения глубокозалегакадих водонасыщан-ных пород при полном снятии нейтрального давления ( для условий Яковлевского месторождения КМА) // Инженерная геология.-1990 . - N 4. - С. 24-31.

11.Косяков С.И., Журин С.Н. Методические рекомендации по прогнозу деформаций массива горных пород при его осушении. - Белгород: В'ЛОГЕМ, 1930,- 31 с.

12.Журин С.Н., Тарасютин В.М. Прогноз и контроль процессов сдвижения массива горных пород при отработке богатых железных руд способом скважинной гидродобычи //Технический прогресс в атомной промышленности.-1990.-»3.-С.11-13.

13.Журин С.Н., Мерэликин В.К. Разработка и апробация метода контроля сдвижения массива при скважинной гидродобыче на больших глубинах // 1-й Советско-Югославский Симпозиум по проблемам скважинкой гидравлической технологии, 1991.- М.,1991.С.110-112.

14.Журин С.Н., Акимов А.Г., Николашин С.Ю. Реализация систем регионального геомеханического обеспечения подземных горных работ в сложных горно-технических и гидрогеологических условиях // Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях: Материалы международного симпозиума 20-24 мая 1991.- Белгород,1991. С.175-179.

15.Борисов О.П., Журин С.Н., Косяков С.И. Особенности проходки и крепления шахтных стволов в обводненных рыхлых породах // Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях: Материалы международного симпозиума 2024 мая 1991,- Белгород,1991. С.185-189.

16.Журин С.Н. Подземные скважинныа наблюдательные станции для контроля сдвижения массива с использованием радиоактивных реперов // Геомаркшейдер-1: Тез. докл. Всесоюз. научн-техн. симпозиума,- М., 1991.-С.115-116.

17.Журин С.Н., Косяков С.И. Прогноз и контроль оседания поверхности прг иодопокижении на Болыаетокмакском место-

рождении•марганцев^пс руд //Инженерная геология. - 1992.-N б. - С.50-58.

18.Журин С.Н. Напряженное состояние целиков этажно-ка-мерной системы разработки с цилиндрическими камерами / / Освоение месторождений минеральных ресурсоз и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях: Материалы второго международного симпозиума 24-28 мая 1993.- Белгород,1993.С.300-314.

19.Журин С.Н. Примеры реализации методов контроля сдвижения массива при глубоком водопонижении / / Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях: Материалы второго международного симпозиума 24-28 мая 1993.-Белгород, 1993.С.315-330.

20.¡Курин С.Н., Жидков A.A. Результаты измерения напряжений в' массиве пород Яковлевского железорудного месторождения // Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых: Тез. докл. Всерос. конф.23-25 мая 1994,- Новосибирск, 1994.С.16-17.

21.Kazikaev J.M., Grigoriev A.M., Fomin В.A., Zhurin S.N. Ensuring the stability of rock masses accommodating large underground cavities // Safety and Environmental Issues in Rock Engineering: Proc. ISRM International Symp. 21-24 June 1993.- Lisboa, 1995. P.1047-1051.

22.Журин C.H., Сыромясский И. Jl. Контроль смещений в рудной толще при скважинкой гидродобыче // Горный журнал,- 1995.- №1.- С.35-38.

23.Журйн С.Н., Серый С.С., Мозговой В. И. Программное обеспечение решения геомеханических задач для сложных гидрогеологических условий // Освоение месторождений ми-

неральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях: Материалы третьего международного симпозиума 23-27 мая 1995. - Белгород, 1995. С.199-205.

24.Журин С.Н. Закономерности формирования напряжений в окрестности очистных камер эллипсоидальной формы // Гео-маханика в горном деле-96: Тез. докл. Международной конференции.- Екатеринбург, 1996,- С.12-14.

25.Журин С.Н. Управление состоянием массива при подземной отработке месторождений руд черных металлов в сложных гидрогеологических условиях // Геомеханика в горном деле-96: Газ. докл. Международной конференции.- Екатеринбург, 1996,- С.88-89.

26.Виноградов С.А., Гензель Г.Н., Журин С.Н., Лябах А.И. Совмещение скважинной гидродобычи богатых железных РУД с утилизацией шахтных вод // Горный журнал.- 1996,» 1-2.-С. 79-82.

27.Kazikaev D.M., Fomin В.А., Zhurin S.N., Grigoriev

A.M. Experience of use finite element method in geome-

*

chanic researches // Computer Application and Operations Research in the Mineral Industries: Proc. 2-nd Regional APCOM'97 Symposium.- Moscow, 1997. P. 181-184.

28.Журин С.Н. Обоснование методов прогноза геомеханических процессов для месторождений со сложными гидрогеологическими условиями // Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях: Материалы четвертого международный симпозиума 25 мая 1997.- Белгород,1997. C.S4-9S. .

29.Журин С.Н, Непосредственные измерения и прогноз естественного поля напряжений Яковловского месторождения

КМА // Проблемы механики горных пород: Труды XI Российской конф. 9-11 сентября 1997.- СПб., 1997. С.145-150.

30.Казикаев Д.М., Журин С.Н., Фомин Б.А. Геомеханические исследования варианта камерной системы разработки с цилиндрическими камерами // Проблемы механики горных пород: Труды XI Российской конф. 9-11 сентября 1997.-СПб., 1997. С.185-190.

31.А.с. 1439221 СССР, МКИ4 Е 21 В 47/00, Е 21 С 39/00. Устройство для определения ориентации плоскости гидроразрыва в скважине / Журин С.Н., Топорков A.B., Фомин Б.А. (СССР).- 4с.: ил.

32.А.с. 1486600 СССР, МКИ1 Е 21 В 47/06. Способ определения объема трещины при гидрорз?рыве водонепроницаемых пород / Журин С.Н. (СССР).-5с.: ил.

33.А.с. 1643865 СССР, МКИ5 Е 21 С 41/22. Способ подземной разработки устойчивых руд / Адигамов Я.М., Антонанко Г.К., Журин С.Н., Сьедин С.А., Токарев В.Н., Фомин Б.А. (СССР). - 7с.: ил.

34.А.с. К» 1693247 СССР, МКИ5 Е 21 С 45/00. Способ сква-жинной гидродобычи полезных ископаемых / Журин С.Н., Косяков С. И., Топорков A.B., Щавинский Г.В., Горбунова Г.В. (СССР).-3 а.: ил.

35.А. с. 1701-^2 СССР, МКИ5 Е 21 С 41/16. Способ разработки мощных месторождений полезных ископаемых / Топорков A.B., Журин С.Н., Щавинский Г.В., Токарев В.Н., Вертлейб Л.К. (СССР). - 6 е.: ил.

36.А.с. 1774018 СССР, МКИ5 Е 21 С 45/00. Способ сква-жинной гидродобычи полезных ископаемых / Журин С.Н., Топорков A.B., Тарасютин В.М.(СССР).-4с.:ил.

37.А.с. 1778300 СССР, МКИ5 Е 21 С 39/00. Способ определения смещений массива горных пород / Журин С. Н. ,

44

Гончаров A.B., Горбунова Г.В., Топорков A.B. (СССР).-7с.:ил.

38.Патент 2Q38480 Россия, МКИ6 Е 21 С 45/00. Способ скважинной гидродобычи / Гостгсхин П.Д., Болотов В.А. , Толокнов И.И., Журин С.Н., Тарасютин В.М., Головакин И.Н., Дрокин Н.Е., Дровников Ю.В., Росляков O.A. (Россия).-Зс.:ил.

/hk^

'-Ц- 90- о ¡66 - /

)

Департамент металлургического комплекса Минэкономики России

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО ОСУШЕНИЮ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ,ЗАЩИТЕ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ОТ ОБВОДНЕНИЯ,СПЕЦИАЛЬНЫМ ГОРНЫМ РАБОТАМ, ГЕОМЕХАНИКЕ,ГЕОФИЗИКЕ, ГИДРОТЕХНИКЕ, ГЕОЛОГИИ И

МАРКШЕЙДЕРСКОМУ ДЕЛУ В И О Г Е М

На правах рукописи

Журин Сергей Николаевич УДК [ (622.02:553.3): (622.272.6:622.234.5 : 622.83:622.843)] 043.3

УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ МАССИВА ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ОТРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ РУД ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ В СЛОЖНЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность 05.15.11 Физические процессы горного производства

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

1 Современные методы управления состоянием массива в сложных гидрогеологических условиях при эксплуатации рудных месторождений 12

1.1 Краткая геологическая характеристика типичных месторождений 12

1.2 Прогноз геомеханических процессов 25

1.3 Методы управления состоянием массива и технологические решения 52

1.4 Цель и задачи исследования 65

2 Совершенствование методов прогноза и контроля геомеханических процессов 7 2

2.1 Совершенствование программного обеспечения

для численного решения геомеханических задач 7 2

2.2 Совершенствование методов наблюдений для контроля сдвижения обводненных глубокозале-гающих пород 7 9

2.3 Совершенствование техники измерения напряжений в массиве 9 9

3 Особенности свойств и состояния массива месторождений со сложными гидрогеологическими условиями 108

3.1 Свойства пород по данным лабораторных испытаний 108

3.2 Региональное поле напряжений 137

3.2.1 Прогноз регионального поля естественных напряжений 137

3.2.2 Результаты и анализ непосредственных измерений регионального поля напря- 14 5 жений

4 Управление состоянием массива для защиты зон техногенного воздействия от обводнения 15 9

4.1 Теоретический анализ напряженного состояния изолированных камер 15 9

4.2 Теоретический анализ напряженного состояния системы камер и взаимодействующих целиков 194

4.2.1 Система прямоугольных камер, плоские задачи 194

4.2.2 Система прямоугольных камер, объемные задачи 200

4.2.3 Система цилиндрических камер 206

4.3 Натурные измерения напряженного состояния целиков 217

4.4 Состояние и изменение несущей способности элементов камерной системы разработки при длительной эксплуатации 224

4.5 Технические решения 240

5 Управление состоянием обводненного массива 24 6

5.1 Развитие мульд депрессионного уплотнения на объектах исследования 24 6

5.2 Натурные данные о взаимосвязи оседаний и напоров 257

5.3 Совместное влияние на массив осушения и очистных работ 2 62

5.4 Методика прогноза деформаций при водопониже-

нии 271

5.5 Технические решения по управлению состоянием массива 281

6 Управление состоянием массива при непосредственном участии пластовой воды в технологическом процессе. Скважинная гидродобыча 285 6.1 Прогноз поведения выработанного пространства 285

6.1.1 Локальный прогноз напряженно-деформированного состояния массива в процессе эксплуатации скважины 285

6.1.2 Региональный прогноз напряженно-деформированного состояния при промышленной отработке месторождения 301

6.2 Проверка параметров и поведения выработанного пространства на основе анализа динамики добычи железной руды способом СГД 318

6.3 Технические решения скважинной гидродобычи 327

6.4 Перспектива развития - управляемое обводнение массива 332

Заключение 341

Список использованных источников 345

Приложения 37 6

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Современные тенденции развития рудной базы промышленности предполагают повышение качества добываемого сырья, постоянную компенсацию выбывающих мощностей по добыче руд, рост обеспеченности предприятий разведанными запасами. Рудная база России остро нуждается в поддержании и развитии, поскольку в настоящее время содержание железа в добываемых рудах ниже мирового в 1,51,8 раза, а разведанные запасы руд почти на половине горнодобывающих предприятий ниже нормативных в 2-3 раза. Решение этой проблемы сдерживается тем, что большое количество месторождений высококачественных руд черных металлов залегают в сложных горно-геологических условиях, характеризующихся значительной глубиной и зачастую обводненностью вмещающих пород и самих рудных тел. В частности, более 50% железорудных месторождений России, отработка которых предполагается или ведется подземным способом, являются обводненными или интенсивно обводненными.

Накопленный опыт эксплуатации месторождений показывает, что горные работы в сложных гидрогеологических условиях сопровождаются качественным возрастанием степени влияния геомеханических процессов на функционирование горного предприятия в целом и возникновением новых специфических явлений в горном массиве. Слабая разработанность способов управления состоянием массива в таких условиях ведет либо к применению избыточных специальных мероприятий и увеличению себестоимости продукции, либо к недостаточному учету последствий процессов, возникающих при отработке, и длительным трудностям при эксплуатации вплоть до остановки или ликвидации горнодобывающего предприятия.

Таким образом, актуальность работы, направленной на разработку способов управления состоянием массива при добыче руд черных металлов подземным способом в сложных гидрогеологических условиях обусловлена настоятельной необходимостью вовлечения в эксплуатацию месторождений со сложными гидрогеологическими условиями, слабой разработанностью данного вопроса и невозможностью выбора способов управления состоянием массива на основе стандартных решений или по аналогии.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с отраслевыми заказами Министерства черной металлургии СССР и тематическими планами НИР института ВИОГЕМ, в которых автор принимал участие как исполнитель ( № гос. регистрации 01850009935, 01860015349, 01870015692, 01880008446, 01890058651) и руководитель работ ( № гос. регистрации 01840007521, 01880083343, 01880080344, 01890058651, 01890072871, 01900031393, 01900003194, 01920002109, 01920012659, 01960000123, 01960009621, 01960010589), "Программой создания и освоения технологии скважинной гидродобычи богатых железных руд КМА" (приказ Мингео СССР и МЧМ СССР № 216/314) и проектом Миннауки РФ "Создание технологии скважинной гидродобычи твердых полезных ископаемых"(приказ Миннауки РФ 054 от 31.03. 1992г.)

Целью работы является разработка и геомеханическое обоснование способов управления состоянием массива, обеспечивающих эффективную и безопасную эксплуатацию месторождений руд черных металлов в расширенном диапазоне гидрогеологических условий ведения горных работ.

Идея работы заключается в использовании зависимостей напряженного состояния массива от размеров, формы и расположения добычного пространства и гидродинамического режима пластовой жидкости для регулирования устойчивости,

деформирования и разрушения массива в зонах взаимовлияния горных работ и водоносных горизонтов.

Методы исследований. Основные научные и практические результаты диссертационной работы получены с использованием комплексного метода исследований, включающего решение теоретических задач методами механики сплошной среды; проведение экспериментальных исследований в лабораторных и натурных условиях; физическое моделирование и численное решения задач на ЭВМ с использованием метода конечных элементов; промышленные испытания разработанных схем ведения горных работ.

Научные положения, представленные к защите:

1.В верхней части кристаллического фундамента горных пород КМА доминирует гравитационная составляющая поля напряжений, вклад тектонической составляющей зависит от соотношения деформационных характеристик пород.

2.Процесс разрушения стенок целиков в скальных породах при средних напряжениях ниже предела длительной прочности носит случайный характер и описывается как полумарковский .

3.Ступенчатое снижение нейтрального давления с управляемой стабилизацией в течение времени, необходимого для завершения первичной консолидации, приводит к снижению сжимаемости пород на последующих стадиях нагружения.

4.Оседания поверхности, вызванные депрессионным уплотнением пород, линейно зависят от снижения напоров подземных вод любой продолжительности, протекают одновременно со сдвижением от очистных работ и имеют необратимый характер.

5.Устойчивость выработанного пространства в рыхлых богатых железных рудах зависит от давления пластовой жид-

кости, используемого в геомеханических моделях в качестве дополнительного силового воздействия.

Достоверность научных положений обоснована: принятыми в работе теоретическими предпосылками, базирующимися на фундаментальных положениях механики сплошных сред и теории подобия; многочисленными экспериментами по изучению геомеханических процессов в массиве горных пород и моделированием их на эквивалентных материалах и ЭВМ; опытно-промышленной проверкой и внедрением разработанных рекомендаций в различных горно-геологических условиях месторождений КМА и Украины; сходимостью результатов расчетов, лабораторных и натурных экспериментов.

Научная новизна работы:

впервые экспериментально определены значения естественных напряжений в кристаллическом фундаменте КМА на глубинах свыше 4 00 м, в зонах, сложенных разномодульными породами, и выявлена доминирующая составляющая естественного поля напряжений;

предложена и обоснована вероятностно-статистическая модель процесса разрушения стенок целиков в скальных породах при средних напряжениях ниже предела длительной прочности;

экспериментально подтверждена гипотеза об одновременности протекания процессов сдвижения горных пород от очистных работ и водопонижения и о необратимости процесса депрессионного уплотнения, установлен приоритетный характер первичной консолидации для глубокозалегающих пород при высоких значениях напоров подземных вод, обеспечивающий возможность использования линейных моделей деформирования пород, и обнаружен эффект снижения сжимаемости при ступенчатом уменьшении пластового давления;

выявлены закономерности изменения объемного напряженного состояния в элементах камерной системы разработки с изолированными камерами от геометрических параметров, формы и взаимного расположения камер;

расширена область применения камерных систем разработки в сложных гидрогеологических условиях, экспериментально подтверждена возможность использования для прогноза геомеханического поведения обводненных рыхлых железных руд принципа эффективных напряжений

Практическая ценность работы.

1. Разработано программно-математическое обеспечение для оперативного прогнозирования геомеханических процессов на современной аппаратной платформе и методика прогноза деформаций при водопонижении.

2.Усовершенствована на уровне изобретений аппаратурная и методическая реализация метода измерений напряжений в массиве путем использования гидроразрыва скважин (а. с. 1439221, 1486600), разработан новый способ определения смещений массива рыхлых обводненных пород на больших глубинах (а.с.1778300).

3.Разработаны новые варианты системы отработки мощных месторождений устойчивых руд (а.с.1643865, 1701912) и способы скважинной гидродобычи полезных ископаемых на больших глубинах (а.с.1693247, 1774018, патент 2038480).

4.Предложены способы защиты горнотехнических сооружений в массиве, основанные на управлении гидродинамическим режимом пласта.

Реализация работы. Разработанные технические решения, научные положения и разработки использованы институтами Центрогипроруда и ВИМС, а также внедрены на ряде горнодобывающих предприятий страны (комбинате "КМАруда", АООТ "Гидроруда", Таврическом опытно-промышленном ГОКе). Эко-

номический эффект внедрения результатов исследования составил 450 тыс. руб. в ценах 1988 г.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и обсуждались на международных симпозиумах: "Крупные пустоты горных пород" ("Large Rock Caverns", Хельсинки, 1986), "Горные породы на большой глубине" ("Rock at Great Depth", По, 1989"), "Проблемы безопасности и охраны окружающей среды в горном деле" (Safety and Environmental Issues in Rock Engineering, Лиссабон,1993), "Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях" (Белгород, 1991, 1993, 1995, 1997), "АРСОМ'97" (Москва, 1997), Международной конференции "Геомеханика в горном деле - 96" ( Екатеринбург, 1996), Первом Советско-югославском симпозиуме по проблемам скважинной гидравлической технологии

(Москва,1991), Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1984), Всесоюзных научно - технических конференциях: "Комплексное исследование физических свойств пород и процессов" (Москва, 1987), "Теория и практика проектирования строительства и эксплуатации высокопроизводительных подземных рудников" (Москва, 1990), Всесоюзном симпозиуме "Геомаркшейдер - 1" ( Москва, 1991 ) , Всероссийской конференции "Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых" Новосибирск, 1994), IX Российской конференции по механике горных пород (Санкт-Петербург, 1997), отраслевых научно-технических конференциях Министерства черной металлургии СССР: "Влияние обводненности на основные технологические процессы в горном деле и строительстве" (Белгород,1984), "Проблемы

горного давления при ведении подземных горных работ" (Кривой Рог,1990), "Совершенствование комплексной разработки рудных месторождений"(Кривой Рог,1990).

Автор выражает глубокую признательность проф. Казикаеву Д.М. и проф. Стрельцову В.И. за научные консультации, ценные советы и внимание к работе, Косякову С.И., Тарасютину В.М., Фомину Б.А. и сотрудникам лаборатории горного давления и сдвижения горных пород института ВИОГЕМ за помощь при проведении исследований.

1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ МАССИВА В СЛОЖНЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

1.1. КРАТКАЯ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТИПИЧНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Сложность горнотехнических и гидрогеологических условий месторождений определяется следующими факторами: большая глубина, сложная морфология рудных тел, слабоустойчивые руды, мощная толща слабых покрывающих пород, наличие комплексов напорных водоносных горизонтов. По величине водо-притоков месторождения подразделяются при подземном способе разработки на слабо обводненные с водопритоком до

о

300 м /час, обводненные с водопритоком от 300 до 700 м3/час и интенсивно обводненные с водопритоком свыше 7 00 м3/час /1,2/. Перечень обводненных и интенсивно обводненных месторождений руд черных металлов, пригодных для отработки подземным способом, со сложными инженерно-геологическими условиями разработки по материалам работы /1/ приведен в таблице 1.1.

Выделение месторождений руд черных металлов в отдельную группу обосновывается особой важностью для них задачи управления состоянием массива из-за больших объемов добычи и сравнительно низкой стоимости добываемого минерального сырья по сравнению, например, с месторождениями цветных металлов. Железорудные и марганцевые месторождения КМА и юга Украины представляет собой уникальную базу для решения основных задач отработки месторождений в сложных гидрогеологических условиях. Обводненность налегающей толщи пород и, как правило, полезного ископаемого, расположение в толще массива питьевых горизонтов, сильная неоднородность массива по прочностным параметрам, наличие ценных сельскохозяйственных угодий, развитой инфраструк-

Таблица 1.1

Характеристика месторождений руд черных металлов по сложности инженерно-геологических

условий разработки и степени обводненности

Месторождение Инженерно-геологические условия разработки Степень обводненности

Одиночное ( Восточная Сибирь) Сложные Обводненное

Казское ( Восточная Сибирь) Сложные Обводненное

Таштагольское ( Восточная Сибирь) Сложные Обводненное

Шерегешевское ( Восточная Сибирь) Сложные Обводненное

Инское (Западная Сибирь) Сложные Интенсивно обводненное

Ампалыкское (Западная Сибирь) Сложные Интенсивно обводненное

Соколовско-Сарбайское (Казахстан) Сложные Интенсивно обводненное

Висловское (КМА) Весьма сложные Интенсивно обводненное

Гостищевское (КМА) Весьма сложные Обводненное

Яковлевское (КМА) Весьма сложные Обводненное

Шемраевское (КМА) Весьма сложные Интенсивно обводненное

Им. Кирова (Украина) Сложные Обводненное

Галещинское (Украина) Весьма сложные Интенсивно обводненное

Переверзевское(Украина) Весьма сложные Интенсивно обводненное

Южно-Белозерское (Украина) Весьма сложные Интенсивно обводненное

Больше-Токмакское (Украина) Сложные Обводненное

о*

туры над месторождениями и достаточно большое количество осваи�