Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Извлечение руды из недр вызывает нарушение природного равновесия массива, которое выражается в сдвижении и горном давлении. Данные геомеханические процессы осложняют добычу полезных ископаемых, создавая угрозу для безопасности ведения горных работ, приводя к потерям руды, вызывая разрушение конструктивных элементов систем разработки и повреждения объектов на поверхности. Поэтому одной из основных проблем разработки месторождений полезных ископаемых является управление сдвижением и горным давлением. Особенно актуальна проблема управления состоянием массива на предприятиях, ведущих повторную разработку месторождений, где восполнение выбывающих мощностей при истощении сырьевой базы обеспечивается вовлечением в отработку ранее списанных в потери запасов руды. На пологопадающих залежах объектом повторной разработки являются рудные целики, которые поддерживают подработанную толщу пород. Переход к повторной разработке с извлечением руды из целиков означает изменение способа управления горным давлением: жесткое поддержание налегающей толщи заменяется закладкой выработанного пространства или обрушением.
Переход массива в новые условия поддержания приводит к резкой интенсификации геомеханических процессов. Комплекс возникающих при этом задач представляет собой научную проблему управления сдвижением и горным давлением при повторной разработке пологих рудных залежей. Решение данной проблемы позволит прогнозировать геомеханические последствия извлечения рудных целиков, определить рациональные методы управления переходными процессами и стратегию развития фронта повторной разработки на шахтных полях. Основной принцип решения проблемы заключается в согласовании планов развития повторной разработки с объективными закономерностями протекания геомеханических процессов в массиве таким образом, чтобы энергия горного давления не препятствовала, а наоборот - способствовала переходу массива в новые условия поддержания.
Актуальность сформулированной выше научной проблемы подтверждается решениями горной группы АН СССР под руководством академика Агошкова М.И. по развитию горных работ (протокол N7 от 7.06.85, г.Алма-Ата), совместного заседания НТС Госгортехнадзора и MUM РК 9.06.87 (г.Алма-Ата), научно-технического совещания в МЦМ СССР (14-16 ноября 1985, г.Москва), а также ряда координационных совещаний по проблемам повторной разработки Жезказганского месторождения (1988-90гт., г.Жезказган).
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определение эффективных методов управления сдвижением и горным давлением при повторной разработке пологих рудных залежей, обеспечивающих безопасность горных работ и сохранность объектов на поверхности.
ИДЕЯ РАБОТЫ: управление сдвижением и горным давлением осуществляется последовательностью развития повторной разработки, основанной на закономерностях перераспределения тектонических и гравитационных напряжений вокруг карьеров и зон обрушений.
разработка метода расчета нагрузок на междукамерные целики на перекрывающихся сближенных залежах и установление закономерностей разрушения целиков;
определение условий возникновения и торможения цепной реакции разрушения междукамерных целиков;
определение условий выхода обрушений на поверхность при наличии в массиве тектонических напряжений и факторов, тормозящих процесс обрушения;
установление основных закономерностей геомеханических процессов при открытой разработке разделительного целика между карьером и шахтой;
обоснование схемы, условий потери устойчивости борта карьера при подработке подземными горными работами и определение допустимых границ повторной разработки под бортом действующего карьера;
установление закономерностей сдвижения горных пород при повторной разработке с закладкой;
установление основных закономерностей давления и сдвижения горных пород при повторной разработке с обрушением в условиях действия тектонических напряжений.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ: анализ наблюдаемых проявлений горного давления методами многомерной математической статистики, обратные расчеты геомеханических параметров по фактам проявления горного давления, натурные эксперименты и наблюдения по определению действующих напряжений и смещений в массиве горных пород, численное и физическое моделирование геомеханических процессов при повторной разработке, аналитические расчеты устойчивости, промышленные эксперименты.
-
на перекрывающихся сближенных залежах нагрузки на МКЦ определяются суммарной жесткостью соосных целиков, из-за резких перепадов выемочной мощности подвержены значительным колебаниям, негативные последствия которых сглаживаются положительной корреляционной связью между прочностью и нагрузкой на целики с коэффициентом ковариации 30-60% ;
-
доминирующее распространение одной системы крутопадающих трещин определяет трансверсально изотропные свойства массива, при которых разрушение МКЦ происходит в 3 раза интенсивнее по направлению оси анизотропии, чем в плоскости изотропии, совпадающей с простиранием основной системы трещин;
3. при повторной разработке открытым способом доминирующим процессом
является субгоризонтальное смещение бортов к центру карьера, приводящее к
появлению сдвигающих напряжений в массиве и элементах подземных конструкций
на уровне дна карьера, разрядка которых происходит путем проскальзывания под
сеченной карьером налегающей толщи относительно подстилающих пород по по
верхностям пологого залегания; после разгрузки касательных напряжений нагрузки
на МКЦ под бортом карьера определяются вертикальным давлением толщи пород
до поверхности борта и целики сохраняют устойчивость; если в массиве отсутствуют
естественные поверхности ослабления пологого залегания, то МКЦ под бортом карьера разрушаются срезом;
-
при подработке бортов, ориентированных вкрест максимальных тектонических напряжений и находящихся в зоне их разгрузки за счет радиальных смещений, потеря устойчивости борта происходит по двум направлениям сдвига, начинающимися от барьерных целиков под бортом карьера, с формированием двух призм: сдвига и упора, разделенных между собой поверхностью сдвига; в бортах, ориентированных вдоль максимальных тектонических напряжений, формирование призмы упора предотвращается боковым зажимом борта, который удерживает подработанный прибортовой массив силами трения по торцам призмы сдвига;
-
при повторной разработке с закладкой выработанного пространства характер сдвижения налегающей толщи и ее взаимодействия с закладочным массивом зависят от устойчивости кровли: если часть налегающей толщи срезается по контуру выработанного пространства, то пригрузка закладки происходит в режиме заданных нагрузок; если налегающая толща за счет зажима тектоническими напряжениями сохраняет устойчивость, то нагружение искусственного массива осуществляется в режиме заданных деформаций от упругого прогиба кровли;
-
при извлечении целиков с закладкой выработанного пространства линия максимальных сдвижений в налегающей толще отклоняется от нормали к кровле на угол, величина которого зависит от угла падения залежи и горизонтальной компоненты природного поля напряжений; данный эффект отсутствует при горизонтальном залегании залежей или при гидростатическом поле начальных напряжений;
-
несущая способность разрушающихся МКЦ, контактирующих с закладкой, в процессе запредельного деформирования восстанавливается, а сдвижение налегающей толщи ограничивается эффективной мощностью, равной величине продольных деформаций целиков, при которой за счет бокового подпора компрессирующей закладкой их несущая способность в запредельном состоянии достигает предельной в момент начала разрушения;
8. перераспределение тектонических напряжений в налегающей толще после
выхода обрушения на поверхность приводит к возникновению удароопасных ситу
аций в зонах концентрации на глубинах выше почвы зоны обрушения, где ранее
признаков удароопасности не наблюдалось, а в зонах разгрузки проявляется в виде
значительных горизонтальных смещений массива к центру провала, линейно нара
стающих к поверхности.
ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ достигнута обоснованием моделей массива, определением исходных данных в натурных условиях, достаточностью и полнотой описания наблюдаемых на практике явлений и эффектов, применением апробированных методов расчетов, сопоставлением расчетных и наблюдаемых параметров геомеханических процессов и подтверждается широким промышленным внедрением.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ состоит в том, что
- впервые предложен метод расчета нагрузок на целики на перекрывающихся сближенных залежах, с помощью которого установлены параметры изменчивости и теснота корреляционной связи между нагрузкой и прочностью целиков;
установлена неизвестная ранее связь между трещиноватостью массива, обуславливающей его трансверсально изотропные свойства, напряженным состоянием и характером разрушения МКЦ;
предложены новые критерии налегающей толщи поперечным сдвигом с выходом на поверхность при наличии тектонических напряжений, а также условия торможения процесса обрушения слоем крепких пород;
установлена зависимость размеров зон влияния карьера на законтурный массив от природного поля напряжений;
предложен метод реконструкции исходного напряженного состояния массива обратным расчетом по данным натурных измерений действующих окружных напряжений в борту карьера;
обнаружен эффект проскальзывания подсеченной карьером налегающей толщи по слабому контакту целиков с кровлей, объяснивший при открытой разработке разделительного целика сохранение устойчивости целиков под бортом карьера разгрузкой сдвигающих напряжений;
предложена и обоснована новая модель потери устойчивости прибортового массива при его подработке и перехода в новые условия поддержания закладкой;
установлена новая зависимость угла максимальных сдвижений налегающей толщи при повторной разработке с закладкой от угла падения залежи и природного поля напряжений;
выявлен и аналитически описан процесс восстановления несущей способности целиков в ходе запредельного деформирования за счет бокового подпора породной закладкой, на основании которого разработана методика расчета сдвижения налегающей толщи при торможении процесса разрушения МКЦ породной закладкой.
НАУЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается в установлении зависимости всех форм проявления горного давления и параметров геомеханических процессов при повторной разработке пологих рудных залежей от свойств природного поля напряжений (неоднородность в пространстве, соотношение гравитационной и тектонической составляющих, анизотропия горизонтальных компонент).
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ состоит в разработке комплекса инженерных методов расчета геомеханических последствий извлечения целиков, которые позволяют прогнозировать развитие геомеханической ситуации, выбирать технологические и технические приемы управления сдвижением и горным давлением; обосновании возможности, установлении допустимых границ и порядка повторной разработки под бортом действующего карьера; определении рациональной стратегии развития фронта повторной разработки на шахтных полях.
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований внедрены в практику проектирования и повторной разработки Жезказганского месторождения. Научные разработки и положения диссертации использованы при составлении нормативно-технических документов: дополнений к Временным правилам охраны сооружений от вредного влияния подземных разработок на рудниках Жезказганского ГМК, Технологических инструкций по применению камерно-столбовой системы разработки с оставлением круглых целиков и системы разработки с камерной выемкой и
закладкой на рудниках Жезказганского ГМК, Технологического регламента на проектирование повторной разработки Жезказганского месторождения.
Практические рекомендации нашли свое применение в рабочих проектах на открытую и подземную разработку разделительного целика между карьером Злато-уст-Беловский и шх. 57, частичную отработку предохранительных целиков стволов и промплощадок на 10 шахтах, повторную разработку с закладкой под охраняемыми объектами на шх. 57, с обрушением на шх. 45, 67, на погашение выработанного пространства шх. Покро обрушением. Экономический эффект от внедрения рекомендаций в ценах 1991 г. оценивается в 100 млн.руб. при долевом участии автора 25 %. Результаты исследований автора используются при чтении курсов "Маркшейдерское дело" и "Управление состоянием горного массива" в Московской государственной геологоразведочной академии.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на Всесоюзных семинарах по измерению напряжений в массиве (Новосибирск, 1982, 1984, 1986, 1990), Всесоюзных конференциях по механике горных пород (Фрунзе, 1989, Москва, 1993), на международных горно-металлургических конгрессах (Фрайберг, 1980, 1984,1986),наУИ международном конгрессе по маркшейдерскому делу (Ленинград, 1988), на конференции "Охрана недр и окружающей среды на основе комплексного использования минерального сырья (Усть-Каменогорск, 1989), на всесоюзной конференции "Физические процессы горного производства" (Москва, 1991), на симпозиуме "Геомаркшейдер-1" (Москва, 1991), на НТС Госгортехнадзора РК (Алма-Ата, 1987), на координационных совещаниях по проблемам повторной разработки Жезказганского месторождения (Жез-казган, 1982, 1986, 1989), на научных конференциях МГГА (1978-93).
ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертации опубликованы в 43 работах.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения и 2 приложений, изложенных на страницах машинописного текста, включает 68 рисунков, 25 таблиц, список литературы из 173 наименований.
