Введение к работе
Актуальность работы.
Яковлевское железорудное месторождение относится к одному из крупнейших по запасам богатых высококачественных железных руд, имеющих высокое содержания железа.
Геологическое строение месторождения сложное. В висячем (восточном) борту рудного тела Яковлевской залежи отчётливо прослеживаются складчатые структуры с нарушением сплошности пород. Разрывные нарушения имеют сбросово-сдвиговый характер и формируют многочисленные зоны дробления. На юго-восточной части структура усложнена тектоническими нарушениями. Месторождение содержит различные типы руд и имеет породные включения.
Проходка горизонтальных горных выработок в зонах тектонических нарушений, а также на контактах руд различных типов на практике зачастую сопровождается вывалообразованиями и разрушением кровли выработок.
Анализ случаев вывалообразования и разрушений различных типов крепей, применяемых на Яковлевском месторождении в различных геологических условиях, показал, что эти явления особенно резко проявляются при проходке горных выработок по зонам нарушений и ослаблений и на контактах различных типов пород и руд.
Значительный вклад в исследование процесса деформирования и разрушения пород вокруг горных выработок в нарушенных зонах массива внесли: Баклашов И.В., Безродный К.П., Булычев Н.С., Ардашев К.А., Долгий И.Е., Картозия Б.А., Зубов В.П., Козырев А.А., Руппенейт К.В., Ковалев О.В., Огородников Ю.Н., Протосеня А.Г., Трушко В.Л., Фотиева Н.Н., Фролов Ю.С., Цимбаревич П.М., Кузнецов Г.Н., Изаксон В.Ю. и многие другие.
Однако, применительно к условиям Яковлевского рудника, не рассматривались вопросы прогнозирования параметров напряженно-деформированного состояния рудного массива и зон разрушения вокруг выработок на участках тектонических нарушений и ослаблений массива.
Цель диссертационной работы. Обеспечение устойчивости выработок в зонах ослаблений рудного массива в условиях Яковлевского рудника.
Идея работы: обеспечение устойчивости выработок в ослабленных зонах рудного массива должно базироваться на упрочнении массива и повышении несущей способности крепи с учетом закономерностей изменения смещений и напряжений вокруг горных выработок.
Основные задачи исследования:
изучение особенностей строения и распределения зон неоднородностей в рудном массиве Яковлевского месторождения;
проведение натурных наблюдений за проявлениями горного давления в выработках на участках тектонических нарушений и контактов руд и пород;
разработка геомеханической модели деформирования ослабленного рудного массива вокруг горной выработки на протяженном участке и в забое;
обоснование параметров крепей, обеспечивающих устойчивость горных выработок на участках ослаблений рудного массива.
Методы исследований.
Обследование выработок на участках тектонических нарушений и в зонах контакта руд и пород; натурные наблюдения за вывалообразованиями по трассе выработок; лабораторные испытания образцов руд и горных пород с целью определения прочностных и деформационных свойств; моделирование напряжённо-деформированного состояния ослабленного рудного массива вокруг горной выработки методом конечных элементов.
Научная новизна работы:
Установлено, что в нетронутом неоднородном массиве до начала ведения горных работ в прослойках сланца вертикальные и горизонтальные напряжения больше на 2530%, а для включений гидрогематитовых руд – на 1217% по сравнению со значениями этих напряжений в однородной железнослюдково-мартитовой руде.
Определено, что перед зоной ослабления коэффициент концентрации тангенциальных напряжений К в шелыге свода выработки вследствие ее проходки возрастает до 1,2; в зоне ослабления после проведения выработки К снижается до 0,8; за зоной ослабления К до и после проходки стремится к 1,0. При этом коэффициент концентрации тангенциальных напряжений К при угле встречи оси выработки с контактом зоны ослабления в 900 равен 1,2; с уменьшением угла встречи до 700 К возрастает до 1,4.
Защищаемые научные положения:
-
При определении величины напряжений в нетронутом рудном массиве необходимо учитывать неоднородности рудного тела Яковлевского железорудного месторождения, а именно зоны тектонических нарушений, включения пород, контакты гидрогематитовых и железнослюдково-мартитовых руд.
-
Геомеханические модели неоднородного рудного массива, вмещающего горизонтальные горные выработки, кроме прочностных и деформационных характеристик рудного тела и напряженного состояния нетронутого массива, должны учитывать взаимное расположение выработки и тип неоднородности, а также их геометрические размеры.
-
Конфигурация и размеры области предельного состояния вокруг выработки при пересечении зоны ослабления должны определяться на основе решения пространственной упруго-пластической задачи с учетом этапов развития горнопроходческих работ.
Практическая значимость работы:
разработана методика расчета нагрузок на крепь выработок в зонах ослаблений рудного тела;
определены рациональные виды и параметры крепей для поддержания выработок, пройденных на участках неоднородностей рудного массива;
разработана конструкция анкерной крепи для выработок, пройденных в зонах тектонических нарушений (заявка на патент «Способ крепления горных выработок» № 2009102759, приоритет от 28.01.2009);
разработана конструкция анкерной крепи, позволяющая устанавливать анкеры под разными углами к оси выработки (заявка на патент «Способ крепления горных выработок и устройство для его осуществления» № 2009102760, приоритет от 28.01.2009).
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается значительным объемом экспериментальных натурных наблюдений за состоянием крепи и деформациями породного контура выработок, исследованием прочностных и деформационных характеристик руд и пород на уникальном прессовом оборудовании, моделированием напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок методом конечных элементов.
Апробация диссертации. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на международном форуме молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2009 г.); международной конференции “Проблемы подземного строительства в XXI веке” (Тульский государственный университет, Тула, 2008 г.); ежегодных конференциях молодых ученых и студентов СПГГИ (ТУ) им. Г.В. Плеханова «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2008-2009 г.) и научно-техническом совете СПГГИ (ТУ).
Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований, участии в проведении натурных исследований, обработке полученных данных на ЭВМ, анализе натурных данных, создании конечно-элементных моделей для исследования особенностей формирования областей предельного состояния вокруг выработок на участках неоднородностей рудного тела, выполнении численных экспериментов и разработке практических рекомендаций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 3 работы в изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 165 странице машинописного текста, содержит 5 глав, введение и заключение, список использованной литературы из 82 наименования, 89 рисунка и 17 таблиц.
