Геомеханическое обоснование параметров конструктивных элементов систем разработки при освоении месторождений в горноскладчатых областях Рогожников, Олег Васильевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Развитие горнорудного производства является приоритетным направлением в промышленности Кыргызской Республики и связано с повмтенкем з-^Тяктивноети добі/чи и переработки руд цветных, благородных и редких металлов. В настоя:;^ время глубина разработки на действующих рудниках составляет до 400-500 м. Кроме того, производится проектирование и намечается ввод в эксплуатацию новых месторождений на более глубоких горизонтах.

Около 70 руд добывается при подземн'іП разработке месторождений, расположенных в горноскладчатой системо Тянь-Шаня и имеющих ряд характерній геоцрхпническігх особенностей: резко выраженный, рельеф поверхности, сложные горнзгеологические условия рая- . работки, неравномерное оруденение, повышенное естественное напряженное состояние массива, разнообразие физико-механических свойств руд и вмещающих пород, изолированные залежи различных размеров, нарушенность массива тектоническими трещинами и разломами, которые существенно влияют на выбор систем разработки и устойчивость их конструктивных элементов.

В практике работы рудников гаирокое применение получили камерные системы разработки с открытым очистным пространством. Это различные варианты сплошной и камерно-столбовой систем разработки, системы с частичным магазинированием руды и др. Удельный вес данных систем на рудниках составляет более 60. Применение камерных систем разработки с открытым очистным пространством требует надежного поддержания налегающих пород на весь период отработки камер. Основными грузонесущими конструктивными элементами являются кровля камер и междукамерные целики..В проектах разработки месторождений параметры камер и целиков принимались на основании опыта отработки других ручников без должного учета перечисленных особенностей.

Недостаточная обоснованность параметров конструктивных элементов систем разработки приводит к повышению опасности для людей и оборудования а подземных выработках и на поверхности, возрастанию количественных и качественных потерь руды в недрах, увеличению затрат на добычу и переработку руд и снижению общих технико-экономических показателей по предприятии в целом, Поэтому проблема геомеханнческого обоснования параметров конструктивных элементов,систем разработки является актуальной, а ее решение требует исследования физических процессов в массиве, свя-

занных с распределением давления на целики и кровлю камер с учетом перечисленных особенностей месторождений.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с плановыми научными темами: "Разработка научных основ, методов и средств оценки и прогноза механического состояния массивов пород в целях эффективной эксплуатации рудных месгорокцзний в условиях повышенного горного давлении и возможного проявления горных ударов на рудниках Средней Лэии и Казахстана"" (№гос.регистрации 77026363, І976-І980гг.), "Установление основных закономерностей формирования напряженного состояния массивов пород и определение условий возникновения динамических форм горного давления'! (№гос.регистрации 81093415, І98І-І98Ьгг.), "Совершенствование методов контроля, управления горным давлением и создание унифицированных методов расчета конструктивных параметров систем разработки рудных месторождений на больших глубинах в горноскладчатых областях" (№гос.регистрации U.88.0086959, 1986-1990гг.), "Создание интенсивных методов разработки рудных месторождений на больших глубинах" (№гос.регистрации 0І.9.І00053І0, ГЭ8б-1990гг.), "Геомехани-ческое обоснование технологии разработки рудных месторождений при комплексном освоении недр в горных районах" U.'roc.регистрации РК 01.9.100040731, 19Э1-19Э4ГГ.).

Целью работы является геомеханическое обоснование параметров конструктивных элементов камерных систем разработки, обеспечивающих повышение безопасности, полноты и экономичности выемки полезного ископаемого при освоении рудных месторождений в горноскладчатых областях.

Эацачи исспедований:

1. Вьтнить особенности структурного строения месторождений . И установить закономерности распределения исходных полей напряжений в тектонически нарушенном массиве пород.

2. Разработать критерии оценки устойчивости конструктивных элементов систем разработки в трециноватом горном массиве.

3. Выявить закономерности распределения нагрузок на кровлю камер и целики с учетом неравномерного распределения напряжений в массиве и размеров отрабатываемых рудных тел.

4. Установить зависимости длительной прочности конструктивных элементов с учетом их нагруяенности, свойств руд и'вмещающих пород.

5. Разработать методику определения параметров конструктивных элементов камерных систем разработки, рекомендации по их совершенствованию, новые способы отработки рудных залеяей в горно-

складчатых областях и внедрить в производство.

Основная идея работы состоит в использовании закономерностей распределения напряжений в тектонически нарушенном массиве с концентрацией их на отдельных участках, зффекта перорясиредр-ления давления с несущих конструкций на окрукмідий массив и значений длительной прочности пород цчл обоснования параметров конструктивных элементов камерных систем разработки, обеспечивающих безопасность и эффективность отработки рудних залежей.

Методы исследования включают анализ и обобщение опита отработки месторождений и литературных источников, пропецение экспериментов в лабораторных и явхтнчх условиях с иримэпонисм физического моделирования и инструментальных измерений, визуальные наблюдения за состоянием кокор и целиков, Аналитические исследования и статистическую обработку экспериментальных донных, опытно-промышленную проверку и внедрение разработанных рекомендаций в производство.

Научные положения, выносимые на защиту:

6. Исходное поле напряжений в массиве пород в горноскладчя-тых областях является определяющим фактором при геомеханичёском обосновании параметров конструктивных опементоя систем разработки и характеризуется преобладающим влиянием тектонической составляющей, которая в 3-4 и более раз превышает гравитационные- напряжения. Наибольшая концентрация напрякений наблюдается в непосредственной близости от тектонически активных разломов, которчя по мере удаления от них убывает по экспоненциальной зависимости.

7. В трещиноватом горном массиве изменение параметров камер определяется коэффициентом устойчивости кровли, значения которого уменьшаются по степенной зависимости от показателя интенсивности трещиноватости, составляя 0,9-0,3; степчнтюй показатель определяется соотношением горизонтальных и вертикальных напряжений, сцеплением по трещинам и составом слагающих пород.

8. Коэффициент структурного ослабления целиков изменяется по степенной зависимости от интенсивности трещиноватости и параболической зависимости от угла наклона трещин относительно действующей нагрузки, составляя 0,2-0,05. Наибольшая прочность целиков соответствует у г мм наклона трещин 0-20 и 80-90, я наименьшая - 40-50.

9. Нагрузки на целики при отработке небольших рудных тел площадью до 3-5 тыс.м составляют 35-55 от вертикального давления вследствие перераспределения его на окружающий массив.

Увеличение площади отрабатываемых рудных тел приводит к возрастанию напряжений в целиках но нелинейной дробнопоказательной зависимости от эквИБалентного пролета выработанного пространства, достигая полного веса налегающих пород.

5. Длительная прочность конструктивных элементов систем разработки при затухающих деформациях ползучести изменяется по степенной зависимости от времени и свойств слагающих пород. Коэ.{>-фициенты длительной прочности, установленные в шахтных условиях, в 1,5-2,0 раза меньше значений, определенных на образцах пород.

Научная новизна работы:

Установлены новые закономерности распределения исходных полей напряжений и зон их концентрации в тектонически нарушенном массиве, отражающие количественные связи между напряжениями и расстояниями до тектонических разломов.

Разработаны критерии оценки устойчивости конструктивных элементов систем разработки в трещиноватом массиве, основанные на установленных взаимосвязях их размеров с интенсивностью тре-щиноватости, соотношением вертикальных и горизонтальных напряжений в массиве, ориентировкой трещин и составом слагающих пород.

Установлены закономерности распределения нагрузок на целики и кровлю камер в зависимости от размеров отрабатываемых залежей, напряженного состояния массива пород и местоположения в выработанном пространстве.

Выявлены новые зависимости длительной прочности конструктивных элементов в шахтных условиях, учитывающие необходимые сроки их службы, свойства руд и вмещающих пород и нелинейный характер деформирования во времени.

Разработана методика определения параметров конструктивных элементов камерных систем разработки для месторождений в горноскладчатых областях, учитывающая тектоническую нарушенность массива, концентрацию напряжений на отдельных его участках, особенности распределения нагрузок на целики при разных размерах залежей и закономерности изменения длительной прочности в шахтных условиях.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается комплексным подходом при выполнении исследований, представительностью объема экспериментальных данных в шахтных условиях, согласованностью результатов расчетов с опытными данными, положитвль^ ными результатами внедрения разработанных рекомендаций и новых способов отработки залежей на^- горнорудных предприятиях.

Личный вклад автора состоит в анализе и обобщении существующего, опыта исследовании¹ и отработки месторождение, постанорке и проведении лабораторних и многолетних шахтных экспериментов я наблюдений по изучению напряженного состояния и устойчивости камер и целиков, проведении теоретических исследований и статистической обработки экспериментальных данных, разработке методики расчета параметров конструктивных элементов систем разработки и новых способов отработки рудных залежей, обосновании защищаемых положений, выводов и полученных результатов, составлении инструкций по определению параметров систем разработки.

Практическая ценность работы.

10. Разработанная акспериментальнп-я.ігялитич»скаи модель исходного напряженного состояния массива пород ь горноскладчатых областях повышает надежность принимаемых технических решений при проектировании, строительстве и эксплуатации рудников.

11. Созданные новые способы отработки рудных залежей в условиях неравномерного напряженного состояния массива пород позволяют повисить устойчивость камер, увеличить пролеты в 1,3-1,о раз и уменьшить потери руды в целиках.

12. Разработанный новый способ отработки камер в слабих вмещающих породах, заключающийся в создании равнопрочной во времени поддерживающей конструкции, обеспечивает безопасность очистных работ и повышение поинотм выемки полезного ископаемого.

13. Разработанные критерии устойчивости конструктивных элементов в трещиноватом массиве и установленные коэффициенты длительной прочности позволяют обосновать параметры камер, обеспечивающие безопасность горних работ на необходимый промежуток времени.

li. Разработанный инженерный метод расчета параметров конструктивных алиментов камерных систем азработки обеспечивает циф-ференцированный подход к определению их оптимальных размеров с учетом геомеханических особенностей месторождений в горносклад-чатнх областях.

Реализация работы. Для практического использования составлены: "Инструкция по определение параметров сплошной и камерно--столбовой систем разработки па месторождениях Хпйдарканского комбината", "Инструкция по определению параметров систем разработки и нормированию показателей извлечения запасов на Кадам-жайском руднике", "Инструкция по нормированию показателей изв-

лечения запасов из недр на подземных рудниках Хайдарканскогп ртутного комбината", "Рекомендации к технологическому регламенту отработки нижних горизонтов Кацамжайского месторождения" и разделы проекта разработки месторождения Талды-Булак Левобережный, которые внедрены на предприятиях и в проектных организациях.

Внедрение разработанных рекомендаций и новых способов отработки рудных залежей на рудниках Кыргызстана позволило повысить безопасность горных работ, увеличить камерные запасы, сократить потери руды в целиках в 1,3-2,5 раза и вовлечь в отработку запасы на глубоких горизонтах. Экономический эффект составляет 664 тыс.рублей в ценах 1991 года. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании и эксплуатации других рудных месторождений.

Аппробация работы. Основные результаты исследований и научные положения диссертации обсуждались и получили одобрение на Всесоюзной конференции по механике горных пород (Москва, 1975, Фрунзе, 1978, 1983, Днепропетровск, 1981), на Всесоюзной конференции "Физика горных пород и процессов" (Москва, 1974, 1981, 1984, 1987, 19Э1), на Всесоюзном семинаре "Измерение напряжений в массиве горных пород" (Новосибирск, 1975, 1977, 1979, 1982, 1984, 1990), на Всесоюзном научном семинаре по горной геофизике (Ткибули, 1981, Батуми, 1985), на Всесоюзной конференции по механике подземных сооружений (Тула, 1982), на республиканской научно-технической конференции "Методы улучшения добычи руды в условиях Средней Азии" (Алмалык, 1975, 1976), на Всесоюзном семинаре "Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях ш-сокогорья" (Фрунзе, 1987, 1990, 1991), на Международной конференции по механике горных пород (Москва, 19ЭЗ), на Международной научно-практической конференции "Перспективы развития и использования минеральных ресурсов Кыргызской Республики" (Бишкек, 1994), на Международной конференции "Горная наука в условиях рыночной экономики" (Бишкек, 1995), на секции и Ученом совете Института физики и механики горных пород НАН Кыргызской Республики (1975-1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 49 работ, включая 2 монографии, I брошюру и 3 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и изложена на 309 страницах, включая 44