Введение к работе
Актуальность проблемы. Высокие темпы развития горнодобывающих отраслей черной и цветной металлургии в значительной степени связаны с разработкой месторождений подземным способом.Однако понижение глубины очистных работ на действувдих рудниках привело к исключительному повышению актуальности проблем,связанных с механикой горных пород,в частности,с проблемой прогноза параметров деформирования подрабатываемых массивов.
Шестидесятилетний период инструментальных наблюдений за сдвижением горных пород в важнейших рудных районах СНГ и проведенные теоретические исследования позволили решить ряд вопросов, связанных с отработкой месторождений и охраной объектов. Однако полученные эмпирические зависимости пригодны в основном для узкой области практических задач,а аналитические решения ешв не вышли за рамки наиболее простых задач для очистных выработок в однородной среде. Кроме того, эти решения чаще всего основаны на одной из моделей сплошных сред. Однако в зоне влияния очистных работ происходит сложный процесс перераспределения напряжений и развития сдвижений,который не может быть описан какой-либо одной теорией механики сплошных сред. Эти явления требуют комплексного изучения,включающего натурные зкспе рименты, аналитические метода, расчеты численными методами на современных ЭВМ. Отсутствие такого комплексного подхода, а также нераскрытие многих форм механизма процесса, невысокая надежность существующих методов предрасчета параметров дефэрмиро вания продолжают наносить значительный ущерб. В связи с этим данная диссертационная работа, посвященная решению крупной научной проблемы прогноза параметров сдвижения горных пород и земной поверхности при разработка мощных рудных месторождений имеет важное научное и практическое значение.
Целью работы является установление, геомеханическое описание и прогноз" параметров деформирования горных пород и земной поверхности при подземной разработке мощных рудных тел для выбора и обоснования мер охраны подрабатываемых объектов.
Основная идея работе заключается в разработке и использовании для прогноза параметров сдвижения горных пород различных моделей деформирования породного массива в зависимости от его структуры, свойств и состояния.
В задачи исследований входило:
— выявить механизм деформирования горного массива и земной
поверхности как вблизи отрабатываемых рудных тел и подрабатывае
мых бортов карьеров тан и на значительном удалении от них;
разработать модели развития трещин в подрабатываемых слоистых массивах;
разработать конкретные модели для расчета сдвижений и деформаций подрабатываемого скального трещиноватого и слоистого массива' рудных месторождений;
разработать общую схему и конкретные модели для расчета сдвигающихся скальных массивов месторождений и их участков неслоистого типа;
разработать эффективный метод управления деформированием подрабатываемого массива и земной поверхности при подработке сооружений и объектов, расположенных в непосредственной близости от подрабатываемых бортов карьеров.
Методы исследований. Работа выполнена на основе решения аналити-ческих и численных задач механики скальных пород, проведения многочисленных инструментальных наблюдений за сдвижением земной поверхности и горного массива в т.ч.с помощью глубинных реперов, обобщения и статистической обработки их результатов,промышленных испытаний рекомендованных мероприятий, их экономической оценки.
Основные защищаемые научные положения. I. Сдвижение земной поверхности на месторождениях неслоистого типа происходит в виде образования трещины вертикального отрыва под влиянием растягивающих напряжений и последующего сдвига заколовшегося участка по поверхности скольжения в выработанное пространство. Массив за трещиной и поверхность» скольжения дефор мируется как упругое тело.Процесс сдвижения интенсивно трещиноватых и рассланцованных пород происходит в форме развития трещин и расслоений между слоями под влиянием горизонтальных напряжений образования магистральных трещин и возникновения приуроченных к ним поверхностей сдвижения. В этих условиях в горном массиве и
на поверхности возникают все известные зоны: трещин, опасных деформаций и неопасных плавных сдвижений, соответствующие деформированию пород в запредельной, пластичной и упругой стадиях.
-
Развитие одиночных микротрещин в подрабатываемых' породах приводит к локальным периодическим смещениям пород в сторону нетронутого очистными работами массива. Смещения массива е начале подвиганий микротрещин больше окончательных смещений, характеризующих их равновесие. В подрабатываемом слоистом массиве устойчивый или неустойчивый рост трещин между слоями определяет возникновение соответственно статического или динамического характера деформирования слоистых обнажений элементов открытых и подземных горных разработок. Характер деформирования определяется выявленными соотношениями поля напряжений, рвзмера первичной трещины между слоями, толщины отслоения, удельной работы разруше ния межслоевого материала, упругих постоянных слоя.
-
Направление и еєличшш векторов сдвижений в значительной степени определяются дилатансией пород, обусловленной их сдвигом по системам трещин. Прогноз смещений подрабатываемых слоистых и трещиноватых скальных пород достигается на основе численной реализации вязношгасгической модели среды о дилатансией, учитывающей особенности сдвига пород по системам трещин, напряженное состояние массива и его структурные особенности.
-
Сдвижение подрабатываемых массивов неслоистого строения с достаточным для практических целей приближением описывается в рамках жесткоюгастической л упругой моделей сплошной среды. Использование этих моделей приводит к следующим результатам:
заполнение выработанного пространства обрушенными пустыми породами увеличивает на 10-15% величины возникающих призм сдвижения трещиноватого массива пород висячего бока рудных месторождений лишь при весьма крутых и вертикальных углах падения рудного тела и не исключает возникновение вертикальных трещин нз земной поверхности;
величина отношения размеров выработки по простиранию к глубине горных работ (L/H), характеризующая условие полной подработки определяется прочностными свойствами массива. Установленные зависимости отношения L/H от сцепления и угла внутреннего трения пород позволяют определить количественные критерии условия
полной подработки.
5. При создании в прибортовом подрабатываемом массиве е зоне растягивающих напряжений вертикальной глубокой щели ликвидируется возникновение трещины вертикального отрыва и процесс сдвижения в форме сдвига реализуется на щель. Принятие решения по использованию щели для охраны объектов, определение ее необходимой глубины и места расположения достигается посредством решения задачи динамического программирования на основе отыскания минимума функционала предельного равновесия. Научная новизна работы. 1.Показано, что деформирование слоистых пород при их подработке сопрововдается устойчивым и неустойчивым ростом трещин менаду слоями. Получены основные уравнения,описывающие развитие трещин в этих ситуациях и получены новые научные результаты:
устойчивый рост трещин определяет статический характер деформирования слоистых породных обнажений, неустойчивый рост трещин между слоями ведет к их динамическому деформированию;
кинетическая энергия слоя, динамически теряющего устойчивость определяется его длиной, толщиной, плотностью, величиной и скоростью подвигания первичной трещины.
2. Установлено наличие интенсивных деформаций растяжения горных пород сразу после массовых взрывов и последующее возникновение деформаций сжатия, что обусловлено развитием микротрещин. Теоретически установлено, что смещения массива в начале подвигания микротрещин больше окончательных смещений, характеризующих их равновесие.
3. Разработаны основополагающие принципы учета дшгатансии скального трещиноватого подрабатываемого массива для целей прогноза сдвижений горных пород при разработке рудных месторождений. На их основе разработана аналитическая модель деформирования скального массива, разработан алгортм и выполнена ее реализация в методе конечных элементов (МКЭ). Просчеты конкретных примеров привели к следующим научным результатам:
наибольшие вектора смещений пород возникают при угле наклона систем трещин к горизонту 45 град.;
с уменьшением интенсивности трещиноватости и величины касательных смещений по поверхности трещины, характеризующих начало
запредельной стадии деформирования, углы наклона Еекторов смещений становятся более пологими;
-
Разработана аналитическая модель расчета параметров пригм сдвижения трещиноЕатого массива пород висячего бока рудных месторождения с учетам активного давления обрушенных пород. Ее анализ привел к выводу о том, что активное давление обрушенных пород увеличивает на 10-15 линейные размеры призм сдвижения.
-
Решена задача по определению в объемной постановке размеров сдвигающихся монолитными блоками участков скальных пород месторождений неслоистого типа. Установлены количественные значения сцепления и угла внутреннего трения пород, при которых сдвигающиеся участки приобретают вытянутую по глубине форму.
-
Установлено, что охрана сооружений, расположенных в непосредственной близости от подрабатываемых бортов карьеров должна осуществляться путем оставления предохранительных целиков.построенных на основе нахождения поверхности скольжения с коэффициентом запаса устойчивости, гарантируицим сохранность сооружений.
?. Установлено, что засыпка карьера породой не исключает возникновение на земной поверхности зоны растягивающих напряжений и трещин отрыЕВ вдали от кромки карьера, которые могут нарушить нормальную эксплуатацию расположенных в районе возникающих трещин сооружений.
8. Разработан и научно обоснован способ управления деформированием подрабатываемых пород при помощи глубокой вертикальной щели Личный вклад автора.
основная идея работы, постановка всех задач исследований и разработка методологии и методик их решения;
организация,производство и анализ инструментальных наблюдений за сдвижением пород и земной поверхности на семи крупных полиметаллических и железорудных месторождениях Казахстана и Сибири;
аналитическое описание развития трещин в подрабатываемых массивах, установление статического и динамического характера деформирования слоистых обнакений элементов открытых и подземных горных разработок;
обоснование принципов и способов учета дилатансии скальных трещиноватых пород при анализе процессов их сдвижения;
разработка аналитической модели деформирования скальных по-
род, построение алгоритма еэ реализации е МКЭ, разработка рабочей программы на языке F0RTRAN-77.просчет отдельных горнотехнических ситуаций;
— аналитическое описание модели расчета параметров призм
сдеикения трещиноватого массива пород висячего бока, разработка
программы, просчет конкретных примеров;
постановка задачи по определению параметров полной подработки и разработка алгоритма ее решения;
разработка принципов охраны сооружений, расположенных вблизи подрабатываемых бортов карьеров;
— разработка идеи и метода управления деформированием подраба
тываемого массива при помощи вертикальной глубокой щели.
Практическая ценность работы заключается в разработке методов (механико-математических моделей, расчетных схем и алгоритмов их реализации на ЭВМ) решения геомеханических задач, связанных с исследованием и прогнозом характера и параметров процесса сдеи-жения скальных массивов рудных месторождений и охраной на них объектов от подработки; обосновании шедренных в промышленность рекомендации по повышению эффективности разработки путем добычи руды из предохранительных целиков. Предложенный способ управления деформированием подрабатываемого массива открывает новые практические возможности при решении задач охраны объектов от подработки и извлечения запасов полезных ископаемых из предохранительных целиков.
Реализация работы. Установленные и предрасчитанные параметры процесса сдвилвния и рекомендации по охране подрабатываемых объектов и извлечению части запасов руд из предохранительных целиков использованы при проектировании и внедрены на ряде предприятий (Лениногорский полиметаллический комбинат, Зыряновский свинцовый комбинат). Результаты исследований вошли в проекты Правил охраны сооружений и объектов от подработки для рудников ЗСК (ПермШ) и общих Правил охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок месторождений руд цветных металлов (ВНИМИ).
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и обсувдалиоь на следущих совещаниях конференциях и конгрессах: Всесоюзном научно-техническом совеща-
нии"Каучно-т9Хничвски9 проблемы повышения эффективности работ и совершенствования маркшейдерской службы на горных предприятиях страны"(Екатеринбург,I9S4),Первом всесоюзном семинаре по разрабо ткэ месторождений в условиях высокогорья(Бишкек,1987),VII Международном конгрессе по маркшейдерскому делу(Санкт-Петербург,1988) ,1Х Всесоюзной конференции ло механике горных пород(Бишкек,1Э8Э) ,Х11 Всесоюзном семинаре по исследованию горного давления и охране капитальных и подготовительных выработок (Алма-Ата,I99Q), научно-технических совещаниях учебных и научно-исследовательских институтов(ПермШ,МГРИ,ВН1Ш1,УШтР0ЛШда,ВНИЖ]ВЕТмет,ИРГИРЕДМЕТ), технических советах Лениногорского полиметаллического и Зырянов,-ского сеинцового комбинатов,на кафедре и в институте маркшейдерского дела, сдвижения горных пород и горной геофизики Рейн--Вестфальской высшей технической школы (RWTH) г.Аахена( е ходе прохождения десятимесячной научной стажировки в ФРГ в 1Э88-87г.г Научн.руков.проф.А.Ленгеманн) ,на кафедре и в институте оснований и фундаментов, механики грунтов, механики скальных пород RWTff г.Аахена ( в ходе прохождения научной стажировки в 1Э91-Э2г.г. Научн.руков. проф. В.Виттке)
Публикации. Основные результата исследований опубликованы в 26 работах, включающих 4 авторских свидетельства. Всего по теме диссертации опубликовано 47 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, изложена на 309 страницах машинописного текста, включая 81 рисунок, 13 таблиц и библиографический список из 231 наименования.
Работа выполнена на кафедре Маркшейдерское дело Пермского политехнического института(БермІШ) по результатам шести хоздоговорных научно-исследовательских работ, в которых автор был научным руководителем. В ней обобщены также исследования,выполнение автором в лаборатории сдвижения горных пород Восточного научно--исследовательского горнорудного института(ВостНИТРИ) в период с 1975 по 1983 годы. Б выполнении работы в разные периоды участвовали сотрудники и студенты кафедры. Всем им автор выражает искреннюю благодарность. Автор выражает исключительную признательность проф.В.Виттке за любезно предоставленную возможность просчитать по его программе "PEST 03" важную для целей прогноза
сдвижений: задачу. Результаты расчетов и последующее их обсуждение с проф. В.Виттке прояснили немало сомнительных для аЕтора диссертации моментов.
Автор весьма благодарен канд.техн.наук.с.н.с.ВНИМИ Петухову И.А.за постоянное внимание к работе и высокопрофессиональное консультирование.
