Введение к работе
Актуальнооть-проблемы. Перепек,лвы подземкой разработки рудных месторождений и технико-экономические пог-азатели горных предприятий в значительной степени определяются эффективностью отработки участков месторождений на глубоких горизонтах, доля добычи из которых постоянно растет. Освоение глубоких горизонтов связано с ухудшением геологических и горно-технических ус-лоеий, появлением на ряде месторождений динамических форм проявлений горного давления в ваде динамических явлении типа стреляния, толчков, горных ударов и обрушения горных пород. Они вызывают тяжелый травматизм горнорабочих,- онижают производительность их труда и приносят большой материальны" ущерб,
В настоящее время более 70 рудных месторождений отраны отнесены к разряду склонных к ггрным ударам. Так, на удароопас-ных шахтах Североуральского бокситового баооейна при рааработкв глубоких горизонтов зарегистрировано с 1972 г. более 250 горных ударов'*'', о энергиями от 10" до 3,9 10 Джоулей, а количество динамических явлений-превни&ет.тысячу ежегодно. Наиболее сильные из них приводили к нарушению, окружающего выработки, масси-за пород на площадях до 3500 м , объемы выброшенной горной массы при этом достигали 500 м3, а нарушения выработок наблюдались на нескольких горизонта.;.
Больше разрушительные последствия динамических явлений связаны в немалой степені: с недостаточной изученностью механизма их воздействия на горные выработки и^иерегаенностьв проблеми обеспечения их устойчивости в условиях динакических форм проявлений горного давления.
Применение традиционных подходов и способои обеспечения
устойчивости горних выработок в этих услогиях не дают желаемых
результатов, а затрата на их восстановление и ремонт ежегодно
растут, . .
Цель работы - разработка и научное обоснование способов повышения устойчивости подготовительных, нарззных и очистных выработок в условиях динамических проявлений герчого давления с
*^ в дальнеипом будем пользоваться более общим термином динамическое явление.
использованием упрочняющих крепей.
Идея работы заключается в повышении сопротивляемости окружающего выработки массива пород воздействию динамических нагру-зок за счет формирования в нем зон с необходимыми прочностно-деформационными характеристиками путем оптимизации параметров оейсмостоїіких упрочняющих крепей и выбора рациональной формы поперечного оочення шработок. Задачи исследований;
исследовать влияние динамических явлзиий разных оиергий на характер и формы потери устойчивости выработок;
построить раочетиые схемы и разработать методики расчета устойчивости выработок и выбора оптимальных параметров упрочняющих крепей с учетом воздействия оейсмических волн динамических явлений;
w следовать влияние горногеологических и горнотехнических факторов на устойчивость внрабоадк и разработать инженерный критерий ез оценки в условиях динамичеоких форм проявлений горного давления;
разработать аффектиьныв опособы обеспечения устойчивости подготовительных, нарезных и,очистных выработок, повышающие несущую опоообі сть огпужающего выработки масоива пород при динамичеоких проявлениях горного давления;
обосновать и разработать нормативы проектирования сейсмостойких упрочняющих крепей подготовительных, нарезных и очистных выработок при динамических формах "роявлонил горного давления.
Методы исследований,. Б работе приметен комплекс методов исследований, вздючащий: научный анализ и обобщение данных, опубликованных в горно-технической литературе отечественными и. зарубежники учеными по методам расчета и обеспечения устойчивости . обнажений пород в подготовительных, нарезных и очистных выработках при динамических проявлениях горного давления; лабораторные исследования процесса деформирования и разрушения горных пород при различных видах напрягэнного состояния, а также закономерности механического упрочнения монолитно-Л и раздельно-олочной среди методом моделирования на эквивалентных'материалах с использованием тензометрического метода измерений; шахтные инструментальный исследования процессов деформирования массива пород. окружающего подготовительные, нарезные и счистнне выработки, во j-рёмени и под воздействием сейсмических волн динамических Я ЕЛО-
иии о использованием данных сейсмических наблюдений сейсмостан-ции "Севароуральск"; аналитические исследованияjmnt .женно-де- . . формированного состояния массива пород вокруг выработок при динамических воздействиях с применением математического моделирования на ЭВМ; промышленные испытан!... в аахтных услови>.л разработанных методов прогноза и обеспечения устойчивости подготовительных, нарезных и очистных выработок в условиях динамических форм проявлений горного давления.
Полученные при проведении исследований результаты,обрабатывались методами математической статистики, сопоставлялись и ана-лизир- вались.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Потеря'устойчивости обнажений пород на контуре выработок наблюдается при достижении приконтурной зоной массива предельного состояния в результате увеличения степени нераЕНОКОМпонентнос- . ти поля напряжении при суммарном * эйствки статической и динамической их составляющих..Развитие зоны разрушения пород происходит в направлении нормальном вектору максимальных главных напряжении к направлению имения сейсмических голн, а ей иитеисивно'сть обуславливается прочностными и усталостными свойствами породного массива, степенью его трециноватости, ориентацией: вкг -jotkh относительно направления максимальных главных напряжений и величиной энергии динамических явлр^іиЬ.
-
Процесс деформирования слоистого массива пород кровли выработок при динамических проявлениях горного давления имеет двухетадкйный характер - совместное деформирование упрочненной зоны пород с вышележащим массивом без нарушения сцепления и'самостоятельное деформирование упрочненной зоны после нарушения ецепл&кия с вышележащим массивом. Характер расслоения пород кровли обусловлен развитием резонансных колебаний под воздействием сейсмических волн и определяется упругими свойствами и
.модностью слоев, а также ориентировкой и величиной действующих главных напряжений.
2. Упрочнение і-'.онолит!-;ои и раздельнр-бло'.шоч среды штангами с плотностью расстановки осльке С,7 ыт/м .приводит к яакономер-ноі'у' у5^.'л-.ч';!і»'м зё прочности и модуля деформации в до- и запре-дгльно,: «(.частях дефНиРсга1№я* причем для раздельно-блочной ... ср'.ды }сст этих'параметров в 1,5-2 реза выае по сравнению с мо-
. нол:ітііо'Иі' Ун; очнуьный итанг^ми массив пород еаё на допредельно::
-.6 ~
отздии деформирования наряду с приобретением большей прочности повышает свои деформационные свойства, выдерживая рост деформации до разрушения на 60-70 %, что обуславливает повышение устойчивости приконтурной зона пород,' упрочненной штангами. Упрочняющий оффект сохраняется и в запредельной стадии деформирования, т.е. в процессе» разрушения материала, с относительным возрастанием его при уменьшении прочности материала.
Полученные.экспериментально количественные зависимости изменения коэффициентов упрочнения, остаточной прочности и модуля деформации от параметров штанговой крепи открывают новые возможности для совершенствования аналитических методов расчета и
цело устойчивости обнажений пород в выработках о учетом упрочняющего воздействия итанг.
К. Повышение устойчивости обнажений пород слоистой кровли при воздействии сейомических волн достигается снижением амплитуды колебании приконтурной зоны пород за счет изменения её прочностно-деформацчонных свойств при механическом упрочнении пород приконтурной зоны, а оптимальные параметры упрочнения определяются из условия минимизации прогибов.
5. Устойчивость обнажений пороп на контуре выработки нарушается при определенном соотношении действующих з массиве напряжений и прочности пород, а интенсивность процесса разрушения определяется величиной отого соотношения.
На отой осново разработан критерий напряженности П , учитывающий аномальность напряжений в данном районе, их концентрацию в результате сейсмических' воздействий, проведения данной и других выработок, а такжг изменение прочности пород в массиве в результате усталостных явлений, структурной ослаблвнности и сте пеки упрочнения пород приконтурной зоны.
Прогноз устойчивости элементов выработки на стадии проил» рования и её проведения базируется ка определении величины критерия П„в , по которому выделяется четиие категории устойчивости..
Лостсверность научных положений,_внводови рекомендаций подтверждается большим объемам производственных і* лаоораторннх экспериментов, прогздєкнііх в I9SI-IS-S1! гг. для пирохсі-о диапазона гор:;о-геолйгчческі;х yc.j-.оьий.. удов/.етьоритзльнси СХОДИМОСТЬ t^'JC7hi'x к '.-аитичг.ских рззультатоа, полученных при ог;ыт;ю--про-
4-.::.-. ОКНО/. іН.СВ5рКЄ Y. ЯЮ/рСгіНИ р SkUX СПССОЗОЕ ОббСПЗЧб-
- 7 *
ния устойчивости выработок в условиях динамических проявления горного давления, а также положительными результатами длитель-ног^использовечия предложенных технических решений и методических разработок~как при проектировании, так и на действующих . рудниках Североуральского бокситового бассейна. Научная новизна работы.
-
Выявлен механизм разрушения обнажений перод. в подготовительных, нарезных и очистных выработках и определены формы noit-ри их устойчивости при динамических проявлениях горного давлзния в зависимости от места расположения очага, типа и энергии динамического явления, параметров сейсмических волн.
-
Разработана методика долговременных шахтных исследовании напряжзнно-дефоркироЕанного состояния массива, позволявшая выделить и оценить степень воздействия сейсмических волн не процесс деформирования пород кровли очистных и нарезных выработок.
-
Установлены закономерности деформирования погод кровли очистных ." нарезных выработок при статических и динамических воздействиях. Выявлена ДЕухстадийность отого процесса, включающего деформирование приконтурного массива пород как едииой системы па первой стадии и как системы с.нарушенным сцеплением между упрочненной зоной пород и основное кровлей на Еторой стадии.
-
Построены модели резонансных колебаний пород кровли.нарезных и очистных выраооток, как упругой системи при двухстадкй- нон деформировании под воздействием сейсмических .волн, предеTt't-ленных произгольной периодической возмушающей силой. На их основе разработана расчетные схены и метод расчета устойчивости слоистой кровли.
5.. Выдвинута и экспериментально подтверждена гипотеза о
ВОЗМОЖНОСТИ ЭффеКТИВНОЮ ПОЕКаЄНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ СЛОИСТОЙ Кр&ІЛіі.
выработок пги динамических воздейсть'ях кгменс.чием честкости приконтурнпй зоны пори путем -х) механического упрочнения, оптимизация параметров которого определяется-по критерии .мшіикільних прогибов.
6. Установленызакономерности ипменення прочностно-де-Ърмз-
пионных характеристик монолитной и р'.здельно-олоччой грди в до-
и запредельной ставнях д'.е^.ор-та.пг.чнкя от па;.~мет; зе пташню;,
крепи: плотност!". расст^лотжи 'I ,. "= 0,7*2,8 шт/іг и ь^-че» спо
собности Ри = 30+150 кіі, і:сз'о;/:^;'; количостг-с.^о о;:с:-:.:ь >;.;
упрочнявший о'і]4-еі:т, " " - . . '
- 8 - .
-
Выявлены заьисимости изменения величин концентрации динамических напряжений при импульсном воздействии нестационарных сейсмических волн 01 формы поперечного сечения выработки (круг-лат, аллипсовидная, квадратная и шатровая), качества её оконту-ы;вания и длины волн динамических напряжений, позволяющие учесть дикамическуг соотапляющус напряжений при оценке устойчивости породных обнажений,
-
Предложен єдиний критерии напряженности П ' элементов выработки для оценки еч устойчивости при статических и динамических проявлениях горного давления в зависимости от природного поля напряжений, энергии динамических явлений, формы выработки, усталостны-:.и прочностио-доформапионных характеристик пород, структурной ослабленное и степени упрочнения приконтурной зоны пород.
-
Разработана классификация устойчивости обнажений пород ь горных выработках по критерии напряженности Пдв , предусиат-риваьпая *» категории устойчивости:
Пдв < х.О - устойчивое состояние массива;
П " 1,0+1,3 - предельное состояние, характеризуемое возможностью отдельных Еивалов и "шелушением" пород на ::онтуре выработки;
П.Л 1,31+3,0 - неустойчивое состояние, характеризуемое "стре-лянксм" и.вывалами динамического характера;
П > 3,0. - счекь неустойчивое состояние, характеризуемое "заколообразованием" вслед за обнажением пород и выбросами пород при динамических воздействиях. Практическая зчпчиаость работы.
-
Разработаны инкэнорные методы оценки форм потери устойчивости выработок с учетом динамических проявлении горного давления через отношение'дойствусиих в массив*"напряжений к проч-иостньм парамБтрац пород.
-
Созданы ц^ективныо способы повыиения устойчивости выработок, базирующиеся на фориирогании в приконтурной пассиве зон с необходимыми. прочиостно-деіюруационнимк характеристиками и применении рациональных форм поперечного сечония выработок.
3. Разработана на основе кодификационного принципа типовые
паспорта крепления к технологии возведения сейсмостойких крепей
подготовительных, нарезных и очистных наработок в условиях ди-
. 9 -
НаМИЧеСОХ ПрОЯВЛеїШЯ ГОРНОГО ДйВЛеННЯ.
k. Предложены новые конструкции. siTtiHromx л комбинированных-" сейсмостойких упрочнявших .срепэи для. подготовительных, нирезг.ых и очистных выработок; разработаны норматива их проекти-' ровакил и выбора рациональной формы поперечного сечения с учетом природного поля тектонических напряжений и динамических воздействии.
5. Составлены алгоритмы и пакет программ расчетов на ПЭВМ
оптимальных гаранетров упрочняющих кроной, обеспечивавших ус-
точчивоси выработок в условиях динамических проявлений горного
давления. ..-.
Еіігдрение рзрультатов работ».
Результаты исследований и практические рекомендации -0011 составной частьв в отраслевые нормативные документа, утвержденные МВД СССР: "Инструкция по креплению полевых горизонтальных и наклонных горних выработок на Севэроуральеких месторождениях бокситов", д., 1988, W е.; "Типовые паспорта кгеглэния основных подготовительных выработок на сахтах СУБРа" Североуральск, ДИ-СУБР, 198і), 61 с; Руководство по выбору конструктивных параметров камерно-столбовой'системы разработки на шахтах ПО СУВР, С.ьердлоізск, Укипромеді.-, I960, 55 с; Руководство по вибору кон~ структиших параметров камерной системы раз^ботки с тьердогвеП закладкой на шахтах ПО СУВР, Свердловск, Укипромедь. 19S3, .53 с.
Разработанные способы обеспечения устойчивости в^раооток, методики выбора параметров упрочняющих крепей, тппоекэ паспорта крепления подготовительных, нарезних и очистных выработок в условиях динамических проявления горного давления широко приценяются при отработке"действующих-к проектировании новых горизонтов рудников Севороуральского бокситового оассейна. По рекомендациям автора в период 1984-1990 гг. закреплено 65 километров 'подготовительных и 176 тысяч м нарезных и..очистных выработок с фактическим экономическим аффектом более 1,7 миллионов" рублей; - '-'-.
Научные и практические результаты работы используются в учетном процессе при г.одгетовке специалистов горного профиля.
Апробация роботы. Основные положения работы докладывались, обсулдалпоь и получили одобрение на Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации тксоког.роигиодителышх подземных рудников", Москва, 1990} на ІУ Республиканском научно-гехшческом семинаре "11с-
редоіше технологии разведьи и добычи полезных ископаемых, ооо-бяннооти строительства и экологии на крайнаы Севере!', Воркутч, 1990 ; на ІЇ.РеопуЗликаноком саминапа "Проблемы разработки ШИ в условиях Высокогорья", Фрунзе, 1990 ; на XXX Юбилейной научно-уехпичеокой конференции, посвяманой 70-латию ДЗПИ, Владивосток, I9S8 ; на научно-техническом совещании "Проблемы развития месторождений на рудниках ПО Апатит", Ленинград, 1988 ; .на Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород, Новосибирск, СО АН-СССР, 198? ; на научно-технической конференции. .. "Основные.напр&впения и задачи совершенствования технологии разг ряботки бо:<ситов. в ПО СУБР", Североуральск, 1986 ; на Всесоюзном научно-техническом"оовощании."Применение оталаполимерного и полимерного крепления на рудниках цвеїной металлургии", Джезказган, ЩМ'СССР, ШІИИцвєімєї,.-198* ; на ..Всесоюзной научно-техни-чеокой конференции "Исследование,.прогноз а контроль проявлений горного давления1',.Ленинград,.ЛГИ, 1982 ; ва научно-технической конфаранции "'Крапления подзаынах выработок в условиям повышенного горного . давления", Свердловок, 1982.; на научной дискуооии по проблеме горного давления на больших глубинах, Кривой Рог, ЩШ УССР, ИИГРИ, 1982 ; на технических совещаниях ПО СУБР (1981^-1991) на заседаниях секции "Шахтное отроительотво" НТС по горному делу Ленинградского горного инотитута (І98І-І990 гг.)«
Решением кониуроной комиоеии Севвро-Бападного территориального Правления и президиума НТО цикл работ по новому 'виду упрочняющей штанговой крепи удооа'аен диплома (Л., 1983 г.)» , а три разработки по аозданию комплексной технологии изготовления и воааедпция^ упрочняющей сталеполимерной штанговой крепи награждены золотой, оеребряной и бронзовыми медалями на ВДНХ СССР в 1982, '1583 и 1384 гг...
Публикации. По їємє'диооертации опубликовано 39работ, ив ниц L7 публикаций отражают роиовкое содержание, работы. Новые технические резания,, ооздениые в процеоое работы над диооерта-цие:; защищены'.5 авторокими свидетельствами.
Диссертация в двух томах .ооотсйт из введения, шести глав и ззімїзченйя, изложенных на <»01 отранкцах машинописного текста, ссдйрлпт^б риеуыов,-25 таблиц, спиоок литературы из!88 наима-ногйний ;. .'ірклоязшій, оодеркащих материалы по внедрению результатов їисоартици'онной pa бот и в,промышленности.
Агтор Еарэ*:аат благодарность проф. Кайдалову Н.Н., проф.
- II -
Протосене А.Г., проф. Ставрогину А.Н., доц. Тимофееву О.В. за консультации и методическую помощь в проведении исследований, про.~Огородникову Ю.Н. , проф. Лабазину В.Г. эа содействие в
работе, а также руководителям управлегіия~и шахт ПО "Севуралбок-
оитруда" (гл.инженер Матвеев П..) и треста "Бокситстрой" (гл. инженер Сафонов А.К.), персоналу служб прогноза и профилактики горних ударов за помощь в организации и проведении промышленных испытаний и внедрении разработок автора в проиаводственную практику.
