Геомеханические модели и методы расчета сдвижений горных пород при разработке месторождений в скальных массивах тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.07 ВАК РФ

рг Б ОЛ

Сибирское отделение Российской академии наук ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА

УДК 622.02:539.2/.8 На правах рукописи

САШУРИН Анатолий Дмитриевич

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА СДВИЖЕНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В СКАЛЬНЫХ МАССИВАХ

Специальность 01.02.07 —"Механика сыпучих тел, грунтов и

горных пород" 05.15.01 — "Маркшейдерия"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург, 1995

Работа выполнена в Институте горного дела Уральского отделения Российской академии наук.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Н. П. Влох

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Егоров П. В. доктор технических наук, профессор Кашников Ю. А. доктор технических наук Барях А. А.

Ведущая организация — АО ОТ "Уралрудпромпроект"

Защита диссертации состоится " -р " Я. 1995 г.

в /0 час на заседании диссертационного совета Д 003.17.01 при Институте горного дела Сибирского отделения Р0ССИЙ9К0Й академии наук по адресу: 630091, г. Новосибирск, 91, Красный проспект, 54.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела Сибирского отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан "¿^7" й^МА1995

г.

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор технических наук

11Го4>ессор Э. Г. Чайковский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

. /актуальность проблемы. Необходимость прогнозных расчетов параметров процесса сдвижения горных пород с целью оценки влияния подземных горных разработок на окружающие объекты существовала на протяжении всей истории развития горного дела и особую актуальность приобрела в связи с интенсивным углублением и ростом объемов добычи на современных горных предприятиях. Специфика решения проблемы охраны сооружений и природных объектов состоит в том, что все генеральные решения принимаются, как правило, на стадии проектирования горного предприятия. В этот период производится размещение основных капитальных сооружений промышленной площадки шахты, в том числе ее стволов, оценивается степень воздействия процесса сдвижения на существующие окружающие сооружения и природные объекты, разрабатываются меры по их охране.

Но именно на этой стадии знания о характере и основных параметрах сдвижения горных пород, базирующиеся на методе аналогии, оказываются недостаточными. В последующем, по мере накопления знаний в процессе разработки месторождения, меры охраны корректируются. Но просчеты, допущенные при проектировании, оборачиваются серьезным материальным ущербом, а иногда и человеческими жертвами. Только на* рудниках черной металлургии Урала и Казахстана в предохранительных целиках законсервировано более 180 млн т рудных запасов.

Особое значение проблемы охраны сооружений от подрабстки имеют на мощных рудных месторождениях, разрабатываемых системами с обрушением в скальных массивах горных пород, где из-за достаточно больших масштабов добычи за пределами зоны обрушения образуются обширные области влияния подземных разработок со множеством объектрв как самого предприятия, так и окружающей инфраструктуры.

Следовательно, разработка геомеханических моделей и методов расчета параметров процесса сдвижения в области влияния подземной разработки мощных рудных месторождений в скальных массивах системами с обрушением налегающих пород, повышающих надежность проектирования мер охраны объектов от воздействия горных работ, является актуальной крупной научной

проблемой, решению которой посвящается диссертационная работа. .

Диссертация обобщает результаты плановых научных исследований ИГД МЧМ СССР (сегодня ИГД УрО РАН), в том числе: "Исследовать сдвижение земной поверхности, вызываемое подземной добычей железных руд, и выдать рекомендации проектным организациям для обоснования охранных целиков охраняемых поверхностных сооружений по рудникам Северного Урала" {№ гос. per. 007021, 1972 г.); "Исследование сдвижения земной поверхности, вызываемого подземной добычей железных руд на рудниках Среднего и Южного Урала" (М гос. per. 73016204, 1973 г.); "Исследование сдвижения земной поверхности, вызываемого подземной добычей железных руд, и' выдача рекомендаций проектным организациям для обоснования построения охранных целиков охраняемых поверхностных сооружений (по рудникам Казахстана)" (Ш roc. per. 74006176, 1974 г.); "Исследование сдвижения горных пород на шахте Северопесчанская" (№ гос. per. 74059573, 1976 г.); "Анализ эффективности мер охраны промышленных запасов руд в предохранительных целиках на подземных предприятиях Минчермета СССР (Урало-Казахстанский регион)" (№ гос. per. 018400400742, 1985 г.); "Обоснование и разработка правил охраны земельных ресурсов и сооружений от вредного влияния горных разработок на предприятиях Урала и Казахстана" (№ гос. per. 01860074778, 1988 г.):

Цель работы — установить закономерности деформирования массива горных пород и земной поверхности в области влияния подземных разработок мощных рудных месторождений в скальных массивах для обоснования геомеханических моделей и методов расчета параметров сдвижения и деформаций, обеспечивающих рациональное размещение и безопасную эксплуатацию разрабатываемых сооружений и природных объектов, а также полную выемку запасов полезного ископаемого.

Идея работы заключается в использовании взаимосвязи параметров сдвижения скальных массивов горных пород и земной поверхности в области влияния подземных разработок мощных рудных месторождений с полным тензором первоначальных напряжений, включающим гравитационные и тектонические силы, для совершенствования методов расчета сдвнжения горных пород.

В соответствии с целью и идеей в диссертационной работе по ставлены следующие задачи исследований:

1. На основе обобщения инструментальных наблюдений з развитием процесса сдвижения на горнорудных предприятия* Урала и Казахстана, охватывающих период более 25 лет, вы явить взаимосвязь сдвижений горных пород с их первоначальным напряженным состоянием.

2. Разработать геомеханическую модель процесса сдвижения горных пород на мощных рудных месторождениях со скальными вмещающими породами, при разработке которых образуется зона обрушения.

3. Разработать метод расчета горизонтальных и вертикальных сдвижений и деформаций, учитывающий конкретные напряжения в нетронутом массиве горных пород.

4. Установить основные закономерности формирования мульды сдвижения в зависимости от формы зоны обрушения и параметров напряжений.

5. Провести специальные промышленные эксперименты по исследованию достоверности и надежности теоретических положений и методов расчета.

Методы исследований. Основные научные и практические результаты диссертационной работы получены с использованием комплексного метода исследования, включающего: теоретическое обобщение современных знаний о деформировании массивов скальных пород при разработке^месторождений полезных ископаемых и других масштабных воздействиях на массивы горных пород, практики охраны объектов от вредного влияния подземных разработок; теоретические методы механики твердого деформируемого тела; лабораторные, опытно-промышленные и теоретические исследования деформирования массива горных пород при подземной разработке рудных месторождений; статистические методы изучения опытных данных; технико-экономический анализ результатов промышленных экспериментов и внедрения рекомендаций по охране сооружений.

В работе защищаются следующие основные научные положения, разработанные автором:

1. Процесс сдвижения скальных массивов горчых пород в области влияния подземных разработок мощных рудных месторождений системами с обрушением'развивается по законам теори

упругости в зависимости от первоначального напряженного состояния, состоящего из гравитационных и тектонических сил, используемого в геомеханических моделях в качестве граничных условий. ■ ,

2. Горизонтальные сдвижения и деформации скальных массивов горных пород в области влияния подземных разработок в сечениях, удаленных от торца зоны обрушения более чем на ее радиус, определяются законами деформирования упругой плоскости Ц условиях плоского напряженного состояния, отображающей горизонтальное сечение геомеханической модели разрабатываемого месторождения, в качестве граничных условий которой задаются горизонтальные напряжения, действующие на расчетной глубине.

3. Вертикальные сдвижения скальных массивов горных пород в области влияния подземных разработок определяются интегрированием на полную глубину разработок вертикальных деформаций единичных горизонтальных сечений, работающих в условиях плоского напряженного состояния, с заданием дифференцированных граничных условий, соответствующих распределению горизонтальных напряжений по глубине. .

4. Дискретный характер распределения сдвижений и. деформаций в области влияния подземных разработок, обусловленный блочным строением скального массива горных пород, определяется размером исследуемого участка и учитывается в расчетах экспериментально установленными коэффициентами корреляции между сдвижениями и деформациями в модельных и реальных средах.

5. Величинами сдвижений и деформаций скальных массивов горных пород на охраняемых участках в области влияния подземных разработок управляют путем придания зоне обрушения рассчитанной формы, при которой максимальные сдвижения и деформации не превысят допустимых значений.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций достигаются:

1. Применением теоретических положений теории упругости, механики горных пород, инженерной геологии, математического моделирования полей сдвижений и деформаций.

2. Эмпирическими исследованиями в натурных условиях развития процесса сдвижения на рудных месторождениях Урала и

Казахстана и статистическим анализом результатов инструментальных наблюдений за более чем 25-летний период на 13 месторождениях, охватившим более ста профильных линий и свыше 1500 реперов.

3. Проведением специальных промышленных экспериментов при разработке рудных месторождений со статистическим сопоставлением результатов инструментальных наблюдений по поверхностным и подземным профильным линиям и расчетных значений сдвижений и деформаций.

4. Результатами внедрения рекомендаций по решению практических вопросов охраны сооружений на Северопесчанском, Го-роблагодатском, Высокогорском, Лебяжинском и других месторождениях, применением согласованных с Госпроматомнадзором СССР и Госгортехна^зором КазССР и утвержденных Минметом СССР "Правил охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на месторождениях руд черных металлов Урала и Казахстана", нормативные параметры которых обоснованы разработками диссертации.

Научное значение диссертации заключается в установлении зависимости параметров процесса сдвижения скального массива горных пород в области влияния подземных разработок мощных рудных месторождений системами с обрушением от первоначального напряженного состояния и доказательство возможности использования этих зависимостей для расчета сдвижений и деформаций.

Научная новизна работы заключается в следующем: " — теоретически обосновано применение законов теории упругости для расчетов сдвижений и деформаций скальных массивов горны^ пород в областй влияния подземной разработки мощных рудных месторождений;

— разработаны методики расчета горизонтальных и вертикальных сдвижений и деформаций, в которых в качестве граничных условий вводится полный тензор первоначальных напряжений;

— установлены закономерности формирования параметров мульды сдвижения в зависимости от параметров зоны обрушення и первоначального напряженного состояния;

— выявлен дискретный характер деформирования скального массива и установлены параметры неравномерного распределения сдвижений и деформаций в зависимости от размеров участка.

Практическая ценность работы состоит в использовании разработанных методов расчета сдвижений для решения следующих задач:

оценки влияния сдвижения горных пород на безопасность существующих, строящихся и проектируемых охраняемых объектов и сохранность земельных угодий;

проектирования мер охраны объектов в зоне влияния горных работ;

управление процессом сдвижения в зоне влияния подземных разработок путем выбора оптимальных вариантов разработки месторождения.

Практическая реализация теоретических положений, выводов и рекомендаций работы осуществлялась при решении конкретных вопросов охраны сооружений на железорудных предприятиях Урала. Так, прогнозирование закономерностей ргзвития процесса сдвижения на" Северопесчанском месторождении позволило вовлечь в разработку барьерный предохранительный целик с запасами 8,0 млн т руды, 2,5 млн т руды из предохранительного целика лежачего бока, обосновать и по согласованию с Госпроматом-кадзором СССР утвердить в Минчермете СССР новые нормативные углы сдвижения, обеспечивающие дополнительное вовлечение в разработку 4,5 млн т руды.

Уточнения нормативных углов сдвижения по породам висячего бока Высокогорского месторождения, внесенные по согласованию с Госпроматомнадзором СССР в действующие правила, позволили отработать свыше 6 млн т руды из предохранительного целика.

В условиях Гороблагодатского месторождения проведенные исследования обеспечили безопасность совместной разработки месторождения открытым и подземным способом, что продлило срок службы карьера с годовой производительностью 1 млн т руды на 15 лет и позволило складировать ежегодно 2 млн т пород вскрыши карьера в зону обрушения шахты.

Научные положения, выводы и рекомендации работы использованы при обосновании нормативных параметров сдвижения горных пород "Правил охраны сооружений и природных объектов о-

вредного влияния подземных разработок на месторождениях руд черных металлов Урала и Казахстана" (Утв. 2.08.90 Минметом СССР, согл. 21.06.90 Госпроматомнадзором СССР и 19.04.90 Гос-гортехнадзором Каз. ССР), предназначенных для проектирования мер охраны сооружений и природных объектов на подземных добывающих предприятиях металлургической промышленности.

Апробапия работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзных семинарах "Измерение напряжений в массиве горных пород" (г. Новосибирск, 1975 г., 1977 г., 1979 г., 1982 г.), на Всесоюзном семинаре "Физические свойства пород в массиве" (г. Новосибирск, 1980 г.), на Всесоюзном симпозиуме "Отражение современных полей напряжений и свойств пород в состоянии скальных массивов" (г. Апатиты, 1977 г.), на Всесоюзное симпозиуме "Тектонические основы и ин-женерно-геологичекие аспекты изучения напряженного состояния пород при разведке и эксплуатации месторождений" (г. Апатиты, 1983 г.), на VI Всесоюзной конференции по механике горных пород (г. Фрунзе, 1978 г.), на семинаре по горной геофизике (г. Те-лави, 1989 г.), на Международных симпозиумах по механике и физике горных пород "Rock at Great Depth" (г. По, Франция, 1989 г.) и "Assessment and Prevention of Failure Phenomena in Rock Engineering" (г. Стамбул, Турция, 1993 г.), на научном семинаре МГИ "Давление горных пород" (г. Москва, 1984 г.), на технических совещаниях ВПО "Союзруда" Минчермета СССР (г. Москва, 1980 г., 1983 г.), на технических совещаниях ПГО "Уралруда" (г. Свердловск, 1973—1983 гг.), на техсовстах Богословского (г. Краснотурьинск), Гороблагодатского (г. Кушва), Высокогорского (г. Нижний Тагил), Бакальского (г. Бакал), Атасуйского (г. Ка-ражал) рудоуправлений.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, изложенных на 292 страницах машинописного текста, содержит 82 рисунка, 23 таблицы, список использованных источников из 142 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СДВИЖЕНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Ранний период научных исследозаний сдвижения горных пород, начавшийся в первой половине XIX века, посвящен проблемам охраны сооружений при разработке угольных месторождений В странах Западной Европы. Многочисленные гипотезы, выдвинутые Туайе, Гоно, Шпарре, Дюмоном, Ржихой, Файолем, Тириа-ром, Гольдрейхом, Бригсом и другими, в литературе именовались теориями и рассматривали видимую часть процесса — зоны обрушения и трещин. Зона плавных сдвижений, охватывавшая значительные области массива горных пород, долгое время оставалась за пределами внимания, поэтому эти гипотезы не могли вскрыть с достаточной полнотой механизм процесса сдвижения.

Основоположниками отечественной школы исследований процесса сдвижения, обеспечившими ей ведущее место в мировой практике, явились П. М. Леонтовский, И. М. Бахурин, С. Г. Авершин. Существенный вклад в теорию и практику охраны сооружений внесли М. А. Кузнецов, С. П. Колбенков, Е. В. Куняей, П. Ф. Гертнер, А. Н. Медянцев, И. А. Петухов,

A. Г. Акимов, В. И. Борщ-Компаниец, В. А. Букринский,-

B. Д. Дьяковский, Д. М. Казикаев, Ю. А. Кашников, В. А. Кво-чин, Р. Ф. Крушатин, А. Г. Шадрин, Ю. И. Чабдарова и многие другие.

Несмотря на длительную историю развития отечественных и зарубежных научных исследований в сдвижении горных пород пока нет научно обоснованной теории, раскрывающей внутреннюю сущность происходящих явлений и вытекающих из нее методов расчета деформаций земной поверхности и вмещающих пород.

На угольных месторождениях этот недостаток в значительной мере компенсируется эмпирическими методами расчета деформаций, опирающимися на результаты маркшейдерских наблюдений. Для рудных месторождений с мощными залежами и крепкими вмещающими породами, при разработке которых в массиве горных пород и на земной поверхности образуются зоны обрушения, вопросы охраны сооружений от подработки — выбор

нормативных параметров сдвижения, построение предохранительных целиков и т. п., решаются с помощью аналогий.

Метод аналогий, как научный метод, применительно к угольным месторождениям впервые был разработан во ВНИМИ Д. А. Казаковским. Обоснование возможности применения его для рудных месторождений было также выполнено во ВНИМИ под руководством М. А. Кузнецова и позволило в короткие сроки создать более десяти "Правил", "Временных правил" и "Указаний", регламентирующих охрану сооружений от подработки в регионах, бассейнах и на отдельных предприятиях.

Основу метода аналогий составляет классификация месторождений по таким признакам, как крепость и строение массива горных пород, параметры рудного тела и др., число которых в действующих правилах в общей сложности не превышает четырех. Причем, в число классификационных признаков месторождений параметры напряженного состояния массива горных пород не входят.

Применяемые методы расчета и прогнозирования процесса сдвижений в совокупности с большим объемом инструментальных наблюдений за сдвижением горных пород позволяют, в большинстве случаев, решать вопросы охраны сооружений, попадающих в зону влияния разработки. Однако в практике встречается немало примеров аномального развития сдвижения горных пород, не укладывающихся в принятые понятия. В частности, чрезмерно низкие углы разрывов наблюдались на ртутном руднике Испании Рио-Тинто ф"= 21°), на Северопесчанском железорудном месторождении (р" = 43°), йа Таштагольском железорудном месторождении (8" = 48°).

На взаимосвязь аномальных проявлений сдвижения с тектоническими напряжениями впервые обратил внимание И. М. Баху-рин, отмечавший, что "остатки тектонических напряжений в земной коре теоретически должны оказывать большое влияние на процесс сдвижения горных пород, возникающий под влиянием горных разработок, однако, практически влияние этого фактора до сих пор не учитывалось".

Анализ маркшейдерских наблюдений за процессом сдвижения свидетельствует, что горизонтальные и вертикальные сдвижения функционально зависят от параметров напряжений и, особенно, от их тектонических составляющих.

Следовательно, для проектирования обоснованных и надежных мер охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок необходимо решить проблемы расчета и прогнозирования сдвижений и.деформаций с учетом основного фактора геомеханических процессов — напряженного состояния массива горных пород. '

2. ОБОСНОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД НА РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

В качестве экспериментальной базы к обоснованию геомеханической модели процесса горных пород послужили исследования, выполненные на горнодобывающих предприятиях черной металлургии Урала и Казахстана. Инструментальные наблюдения на этих рудниках с 1958 г. по 1971 г. проводились Уральским филиалом ВНИМИ, а с 1972 г. и в настоящее время ИГД УрО РАН и маркшейдерской службой предприятий.

Наблюдения, охватывающие во времени более чем 25-летний период и весьма разнообразные горно-геологические условия пятнадцати месторождений, послужили информационной^базой для изучения механизма деформирования массива горных пород в зоне влияния подземных разработок, создания модели процесса сдвижения на рудных месторождениях, разрабатываемых системами с обрушением вмещающих пород.

На некоторых месторождениях, в частности, на Покровском, Северопесчанском, ГороблагодаТском, Высокогорском, Западно-каражальском, Соколовском, инструментальные наблюдения использованы в качестве исходных данных для определения горизонтальных напряжений в нетронутом массиве горных пород. Величины о, в регионе зафиксированы в пределах от -0,7 МПа на Соколовском месторождении до -9,6 МПа на Западнокаражаль-ском, а о2 от -3,7 МПа на Соколовском до -30,4 МПа на Покровском.

В предложенной геомеханической модели процесса сдвижения горных пород на рудных месторождениях, разрабатываемых подземным способом, модельные предположения основываются на горно-геологических особенностях, определяющих сдвижения и

деформации массипа горных пород и земной поверхности в зоне влияния подземных разработок:

1. Залегание в крепких вмещающих породах.

2. Наличие п нетронутом массиве вмещаю щах пород горизонтального поля напряжений, содержащего, как правило, тектонические составляющие.

3. Применение систем разработки с обрушением вмещающих пород.

4. Выход обрушения на земную поверхность, обеспечиваемый геометрическими параметрами разрабатываемых рудных тел.

Модель, соответствующая отмеченным особенностям, представляет нижнее полупространство, сложенное упругим однородным изотропным материалом, в котором образуется открытая выемка, заполненная разрыхленным материалом, отображающая зону обрушения. Равновесие л первоначальном поле напряженно, нарушенное образованием пыемкн, восстанавливается за счет перераспределения напряжений в зоне влияния, сопровождаемого соответствующими деформациями н сдвижениями.

Геометрические параметры модели определяются размерами и формой зоны обрушешш и области ее влияния, п которой нарушается первоначальное равновесие. Границы зоны обрушения па поверхности н в сечениях промежуточной толщи строятся по углам обрушения, значения которых для большинства месторождений находятся в пределах 70—90°.

Статистическими исследованиями установлено, что форма зоны обрушения на железорудных месторождениях Урала н Казахстана с высокой степенью надежности может аппроксимироваться кругом или эллипсом. Отклонения фактических границ зоны обрушешш от модельных (расчетных) носят случайный характер, по асимметрии и эксцессу удовлетворяющий нормальному закону распределения. Причем, доверительный интервал отклонений, как прашшо, не превышает 2—5% от радиуса зоны обрушения.

Внешние границы модели отделяют область влияния горных разработок от нетронутого массива горных пород с первоначальным напряженным состоянием.

Горизонтальные сдвижения и деформации определяются напряженно-деформированным состоянием рассматриваемого горизонтального сечения модели, поэтому во избежание трудностей математического характера, свойственных обт>емиым задачам, н

работе для расчетов используется аппарат плоских задач теории упругости. Ограничение на его применение накладывает влияние торцевой части зоны обрушения.

Исследованиями автора в натурных условиях и Б. А. Храмцо-ва на объемных фотоупругих моделях установлено, что в диапазоне углов обрушения 60—90° применение плоской задачи допустимо при удалении расчетного сечения от торца зоны обрушения не менее чем на ее радиус.

Расчеты вертикальных сдвижений и деформаций производятся на объемных моделях, так как в формировании их величин участвует вся толща пород, попавшая в область влияния горных разработок.

Принятая геомеханическая модель процесса сдвижения горных пород предполагает упругое поведение массива горных пород и не накладывает дополнительных ограничений, кроме свойств, присущих скальным массивам вмещающих пород — высокой крепости, достаточно выраженной жесткости и склонности к хрупкому разрушению.

Обоснованию возможности и целесообразности применения методов теории упругости для анализа напряженно-деформированного состояния массива горных пород посвящены работы А. Н. Динника, С. Г. Авершина, К. В. Руппенейта, 10. М. Либер-мана, А. В. Докукина, С. Е. Чиркова, Б. К. Нореля и других. Обширный экспериментальный материал, подтверждающий упругое поведение массивов горных пород, рассмотрен в работах зарубежных исследователей X. Гупта, Б. Растоги, Т. Рикитаке.

Реальный массив скальных пород, вовлекаемый в процесс сдвижения, как правило, имеет чрезвычайно сложную структуру, определяющую его поведение под нагрузкой. Поэтому в первоначальных исследованиях модуль деформации массива горных пород модели определялся с помощью корреляционных зависимостей, полученных в гидротехническом строительстве с помощью экспериментальных методов штампов, напорных штолен и других испытаний, охватывающих массив горных пород с размерами от нескольких метров до первых десятков метров.

Однако исследуемые этими методами объемы не характеризуют в полной мере массивы горных пород, вовлекаемые в процесс сдвижения, поэтому был разработан экспериментальный метод определения модуля деформации на базах, соответствующих

масштабам процесса сдвижения. Метод основывается на измерении деформаций земной поверхности, вызванных нарушением равновесия на участке земной коры за счет разработки месторождения, отсыпки отвалов и других масштабных воздействий.

Таким образом, деформационные свойства материала модели сдвижения горных пород на рудных месторождениях принимаются по результатам крупномасштабных испытаний одним из существующих способов.

Граничные условия включают систему сил, действующих по плоскостям, ограничивающим область, затронутую процессом сдвижения.

Со стороны зоны обрушения действует боковой распор обрушения пород, величина которого может быть найдена по аналогии с давлением сыпучего материала на подпорную стенку.

На внешних границах действуют первоначальные напряжения, относительно величин которых в работе на основе статистических исследований зарубежных и отечественных результатов натурных измерений напряжений в 140 пунктах, расположенных в различных по условиям регионах земного шара, сделаны следующие выводы:

1. Вертикальные напряжения близки к весу налегающих пород. Отличие от веса налегающих пород с вероятностью 0,99 находится в интервале 0,4 ±1,3 МПа.

2. Среднее значение горизонтальных тектонических напряжений 1/2 (сут, + ат2) в диапазоне влубин до 2800 м с вероятностью 0,99 не откланяется за пределы интервала -15,4 ± 2,34 МПа. •

3. Горизонтальные напряжения по внешним границам слагаются из бокового распора от веса налегающих пород, изменяющегося пропорционально глубине, и тектонических сил, постоянных по всей глубине, определяемых натурными измерениями.

Упрощения и допущения, принятые при построении модели условно разделяются на следующие группы:

1. Идеализация среды модели:

а) представление среды модели в виде однородной изотропной среды;

б) придание упругих свойств массиву горных пород.

2. Идеализация и замена формы деформируемой области:

а) представление контура зоны обрушения геометрически правильными формами;

б) замена объемной деформируемой области плоской.

3. Идеализация граничных условий:

а) представление первоначальных напряжений в виде однородного поля напряжений;

б) задание одинаковых тектонических напряжений в пределах области сдвижения.

Целесообразность принятых гипотез и упрощений, наряду'с логическими обоснованиями и лабораторными исследованиями, Проверена специальными промышленными экспериментами.

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО АППАРАТА

И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ

В современных методах оценки безопасности объектов, попадающих в зоны плавных деформаций, в качестве основных критериев служат величины горизонтальных и вертикальных деформаций. Поэтому задача обоснованной оценки безопасности охраняемых объектов сводится к определению в реальных условиях максимальных значении ожидаемых деформаций.

Земная поверхность массива горных пород, в котором ведется разработка месторождения, находится в сложном напряженно-деформированном состоянии, параметры которого в каждой точке мульды сдвижения характеризуются тензорами напряжений и деформаций

2Х =

(о

(2)

где

Дх

= СУ, + А<УХ; = + 5Х = = + = е, + Д ех;£е, = еу +Аеу-,^уху =¿7^ = + Ду^;

а, х — первоначальные напряжения;

ху'

Да, Лт — приращения напряжений, вызванные разраоо 1

кой месторождения; £, у — первоначальные деформации; Де, Ду — приращения деформаций.

Таким образом, состояние массива горных пород и земной поверхности и безопасность находящихся на них объектов зависят от разных тензоров напряжений и деформаций. Горные породы находятся под действием суммарных напряжений и деформаций, а на охраняемые объекты действуют только приращения напряжений и деформаций, вызванные разработкой месторождения.

Наглядное распределение горизонтальных деформаций в каждой точке можно представить в внде круговой диаграммы, на радиусах-векторах которой, изображающих направление, откладываются величины деформаций, возникающих в данном направлении (рис. 1).

Из круговых диаграмм со всей очевидностью вытекает, что практикуемое измерение деформаций и сдвижений по одному направлению профильной линии дает реальное представление о величинах максимальных деформаций лишь в случае изотропного напряженно-деформированного состояния (е, ~ е,). В случае анизотропного напряженно-деформированного состояния (е, ^ £г) такие измерения могут дать ошибочное представление об уровне максимальных деформаций.

При провале круглой формы векторы горизонтальных сдвижений определяются из выражений

у

4в с, -а2

Я4 Я

-—(х+1)

™ сг.+о. Я2 <тпП Я2

сое 20+—--—+ —,

Ав г 2в г

Я4 Я2

-+—ОМ)

г г

(3)

.„ . 5ш20

где V,, — радиальные и тангенциальные составляющие вектора горизонтальных сдвижений;

а,, 02 — главные нормальные напряжения за пределами

зоны влияния провала; Сто« — давление обрушенных пород (на поверхности ран но нулю);

С — модуль сдвига массива горных пород;

ZfZ

✓ . \

I I 1 \ /

! ! \ !

Рис. I. Круговые диаграммы деформаций при различных напряженных

состояниях

X Л'

— коэффициент Колосова — Мусхелнишилн;

— радиус зоны обрушения (пропала);

О — полярные координаты расчетной точки (0 оточи-тывается от о,). Полный вектор горизонтальных сдвижений рассматриваемое точки и его направление находятся из выражений:

ч

(4\

Горизонтальное перемещение любой точки мульды сдвижения в заданном направлении определяется из выражения

Л = Уг сое а + Уд б1в а,

(5)

где Л — горизонтальное смещение точки в заданном направлении; а — угол, определяющий направление смещения. Главные нормальные деформации (е,, е2), их направление (ср) и максимальный сдвиг (ут„), характеризующие тензор деформаций, определяются из выражений: ,

е1,2 ~~

Е/т+еоо ■ 1

2

УгО

егг ~~ еое

"Ушах ~£1 "*£2

№

где

1 К-о2

Е1 2

3 ВТ

(1+И)-

4 Я

С0520 -2

ст, +а, Л , . /? , ,1

1 2 2 -^-(1 + И)" +1') |

Е

а. -сп

ЗЯ4 ,л л 4Д2 г г

■о. + ст, /?2

сое 28 +

(1 + И)-

Ё. *ы> г г

(1+ц) ;

Уге =

_ (1 + 10(0,-0-,)

(зл4 гя2 л

4 2

Г Г

8т26.

Е

ч /

В работе приводится математический аппарат, разработанный для расчета сдвижений и деформаций вокруг провала эллиптической формы, полученный с применением функции комплексного переменного с конформным отображением плоскости с эллиптическим отверстием на внешность единичного круга.

Методика расчета границ зоны трещин использует преимущественное разрушение массива по имеющимся трещинам и струк-турпым нарушениям. Расчет осуществляется в два этапа. На первом этапе рассматривается распределение напряжений вокруг провала в упругой изотропной плоскости, анализируется условие равновесия по структурным ослаблениям горных пород и отстраивается граница зоны разгрузки, оконтуривающая участок массива с нарушенным равновесием. Равновесие по структурным нарушениям оценивается из сопоставления удерживающих и сдвигающих усилий по плоскостям нарушений..

На втором этапе граница зоны трещин определяется путем оценки устойчивости призм сползания от основного массива в пределах зоны разгрузки под действием собственного веса с учетом реакции обрушенных пород.

Таким образом, разработанные методики позволяют рассчитать для каждого участка мульды сдвижения вектора горизонтальных сдвижений, тензор горизонтальных деформаций и границы зоны трещин, используемые для оценки влияния горных разработок на охраняемые объекты.

4. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО АППАРАТА И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ С УЧЕТОМ ОБЪЕМНОГО,СТРОЕНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

В комплексе явлений, определяющих величину и характер распределения вертикальных сдвижений на земной поверхности и в массиве горных пород, преобладают поперечные деформации массива горных пород на свободную от нагрузки земную поверхность вследствие изменения горизонтальных напряжений в зоне влияния образовавшейся зоны обрушения.

В практике охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния горных разработок используются вертикальные деформации наклона и кривизны.

Величины наклона и кривизны на каждом участке зависят от направления и в каждой точке существует направление минимума и максимума, что, к сожалению, не учитывается в современной практике проведения инструментальных наблюдений.

Принципиальная схема расчета вертикальных сдвижений представлена на рис. 2.

При провале круглой формы вертикальные сдвижения определяются из выражения

( ni п2

—|-cos200 + —|-cos2GA

v г0 rh j

(7)

где o,,g2 —первоначальные напряжения в нетронутом массиве горндох пород; /?0, Rh — радиус зоны обрушения на поверхности и и;«

торце плоскости зоны обрушения; г„, 0О, rh, 0h— радиальные координаты расчетной точки н;> поверхности и ее проекции на торпемой плоскости.

Из этого выражения вытекает, что в изотропном первой,! чальиом ноле напряжений (а, = <s2) вертикальные сдвижения и ... возникают.

б2+ ^

Рис. 2. Схема к расчету вертикальных сдвижений вокруг зоны обрушения

круглой формы

Для их проявления необходима анизотропия первоначальных напряжений. Максимальные значения вертикальных сдвижений проявляются на лучах, совпадающих с направлением главных напряжений нетронутого массиваторных пород, а по лучам, направляемым под углами 45° к ним, вертикальные сдвижения не возникают.

При провале эллиптической формы вертикальные сдвижения определяются из следующего выражения:

.0

h \

-I -2 'h

" I*

.ft \

+

+

MiUA

h \

+ 4o

¡л j,

(8)

где C7|, a2 — главные нормальные напряжения за пределами зоны влияния провала в поверхностных слоях массива горных пород;

сг.л -— давление обрушенных пород (боковой распор) на стенки зоны обрушения;

7 — плотность обрушенных пород;

It — глубина разработки;

/г, = р4 - 2mp2 cos 28 + m2;

4 2

п7 = р - т ;

= 2[/?icos2a - р2 cos2(8 - a)];

пл = />i[p2 cos 20 - //z);

p. в — эллиптические координаты;

т — модуль эллиптичности.

Индексы "О" и "h" при пх...п, соответствуют расчетным точкам на поверхности и их проекциям на торцевую плоскость чоны обрушения. Расчетные точки, в зависимости от поставленных тл~ дач, могут располагаться произвольно »ли по узлам координатной сетки.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ МУЛЬДЫ СДВИЖЕНИЯ

Воздействие сдвижений горных пород на сооружения и природные объекты оценивается с использованием горизонтальных и вертикальных сдвижений и деформаций. Разработанные методы расчета величии и направлений сдвижений и деформаций позволяют выявить основные закономерности распределения параметров процесса сдвижения в зависимости от основных факторов — формы зоны обрушения, направления и соотношения главных и нормальных горизонтальных напряжений естественного поля напряжений за зоной влияния разработок.

Нанбрлее простое распределение горизонтальных сдвижений — вокруг зоны обрушения круглой формы при изотропном естественном поле напряжений (о, = а2), при котором траектории сдвижений направлены к центру зоны обрушения (рис. За). При анизотропном поле естественных напряжений траектории горизонтальных сдвижений имеют более сложную структуру. Начиная с отношения о2/а, = 2 в области, прилегающей к радиальному направлению, совпадающему с аи траектории горизонтальных сдвижений отклоняются от радиального направления и разворачиваются в обратную сторону от провала в глубь массива (рис. 36). При больших показателях анизотропии первоначальных напряжений зона с обратным направлением горизонтальных сдвижений расширяется.

Распределение главных горизонтальных деформаций е, и е2 в мульде сдвижения определяется так же, главным образом, уровнем анизотропии естественных горизонтальных напряжений. В изотропном естественном поле напряжений изолинии главных деформаций е, и е2 в мульде сдвижения представляет собой концентрические окружности. Растягивающие деформации е, направлены радиалыю, а сжимающие е^ — по касательным к окружности.

В анизотропном поле напряжений изолинии максимальных е, и минимальных е^ деформаций прогнуты в направлении действия а, н вытянуты в направлении действия а2. При больших значениях анизотропии в мульде сдвижения образуется нулевая изолиния е,, определяющая смену знака деформаций — переходит от растяжения к сжатию.

Т Г ! !

<9, = Ч

5К Ш ЗЕ 2И И

я 511

Ряс. 3. Траектории горизонтальных сдвижений вокруг круглого пропала: а — при 02/01 = I; б — при О2/О1 = 2

Закономерности распределения вертикальных сдвижений вокруг зоны обрушения, как и у горизонтальных сдвижений, определяются направлением естественных главных горизонтальных напряжений и их разностью а,<- аг (в отличие от соотношения о2/а, у горизонтальных сдвижений). Строение изолиний вертикальных сдвижений вокруг круглой зоны обрушения стабильно при всех значениях разности главных напряжений (а, - а2), кроме ее нулевого значения.

Четырьмя лучами с нулевыми вертикальными сдвижениями, направленными под углами 45°—225° и 13*5°—315°, площади мульды сдвижения разделяется на четыре квадранта (рис. 4а). В двух из них, прилегающих к а,, проявляются поднятия, а в двух других, прилегающих к с2,— оседания. В целом вокруг круглого провала последовательно чередуются зоны поднятия и оседания земной поверхности, амплитуда которых зависит от значения разности (а, - а2)- В случае а, - а2 = 0 или о, = а2 вертикальные сдвижения отсутствуют по всей мульде сдвижения, кроме зоны обрушения.

Наклоны земной поверхности, являющиеся следствием вертикальных сдвижений и зависящие от тех же факторов, имеют два ортогональных направления с экстремальными наклонами. Максимальные наклоны перпендикулярны изолиниям вертикальных сдвижений, а минимальные (нулевые) совпадают с изолиниями (рис. 46).

В картине траекторий максимальных наклонов примечательны два участка: источник траекторий максимальных наклонов, находящийся в области пересечения радиальных направлений, совпадающих с а,, с кругом, и сток траекторий, находящийся в аналогичной точке о2. Источник соответствует участку поднятий, а сток расположен на участке оседаний.

При провале эллиптической формы закономерности распределения горизонтальных и вертикальных сдвижений и деформаций дополнительно усложняются за счет влияния параметров эллиптичности и взаимного расположения главных осей эллипса с направлениями первоначальных напряжений. Однако основные закономерности, отмеченные выше для зон обрушения круглой формы, справедливы и для эллиптических зон обрушения.

Рис 4 Вертикальные перемещения вокруг зоны обрушения круглой формы

(Л0 = 500 м; = 450 м; И = 500 м; р. = 0,3; £=710' МПа; а,- а2 = 8 МПа)

а — изолинии вертикальных сдвижений, м-10"2; б—-траектории максимального наклона

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПОЛОЖЕНИЙ В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Оценка влияния схематизации явлений с принятой геомехани-ческон модели па точность и надежность прогнозирования параметров процесса сдвижения проведена сравнением теоретических п экспериментальных данных о горизонтальных и вертикальных сдвижениях н деформациях.'

В качестве промышленного и экспериментального полигона для проверок использовалась наблюдательная станция на Севе-ропесчанском железорудном месторождении. В сопоставительном статистическом анализе рассматривались горизонтальные и вертикальные сдвижения почти по 150 реперам поверхностных и подземных профильных линий. Отдельно проводились эксперименты по определению взаимных перемещений стволов шахты н опорных реперов, закрепляющих оси стволов на поверхности.

Отклонения системы визирных осей от осей стаолов рассчитывались но разработанной методике н сопоставлялись с результатами инструментальных измерений. Величины щ; достигли 60—70 мм. Разница между теоретическими и инструментальными значениями отклонений не превышала 10 мм, что соответствовало погрешностям измерений.

Сопоставления сдвижений н деформаций по подземным и поверхностным профильным линиям производились за период с 1974 по 1982 год, что обеспечило значительные величины сопоставляемых параметров н существенное изменение размеров зоны обрушения геомеханпческой модели.

В проведенных исследованиях по изменению коэффициенту корреляции между теоретическими к инструментальными сдвижениями в зависимости от базы измерения прослеживается четкая тенденция приближения поведения массива горных пород к упругой изотропной среде по мере увеличения размеров исследуемых участков (рис. 5). При сравнении сдвижений на интервалах, средние длины которых находились в пределах 18—23 м, коэффициенты корреляции составляли у горизонтальных сдвижений 0,<12, а у вертикальных — 0,22. По мере увеличения базы измерения до 325 м коэффициенты корреляции увеличиваются соответственно до 0,93 и 0,73, асимптотически стремясь к единице.

Рис. 5. Обобщенные взаимосвязи теоретических и измеренных горизонтали

них и вертикальных сдсижетгн / и /'—• коэффициент корреляции (г) между теоретическими и измеренными горизошмльи.и мн и вертикальными снижениями; 2 и 2' — относительные отклонения (5^) изме|>с1тых го ризоитальнмх и вертикальных сдвижений от теоретических (в % irr абсолнггш/х сдвдк-. ний); J иЗ' — относительные отклонения измеренных горизонтальных и пертикллмп.к с/г и жений от теоретических (в % от критических значений лефорчяиш'

Установленные корреляционные связи между экспериментальными и теоретическими данными позволяют оценить вероятные границы колебания фактических сдвижений и деформаций от теоретических за счет дискретного характера деформирования реального массива горных пород. Относительные отклонения при одинарной средней квадратической погрешности изменяются у горизонтальных сдвижений от 16% при I = 325 м до 155% при / = 25 м, а у вертикальных сдвижений от 79% при / = 238 м до 575% при / = 25 м.

В сопоставлении с критическими деформациями для объектов первой категории охраны (горизонтальные деформации 210"3, наклоны 410"3) указанные отклонения составляют у горизонтальных деформаций 1,6% при максимальных базах и 17,4% при ми^ нимальных. У вертикальных деформаций аналогичные показатели составляют 0,13% и 1,65%.

Таким образом, в условиях дискретного деформирования реального массива горных пород прогнозирование на основе принятых теоретических и модельных предположений имеет высокую степень достоверности, удовлетворяющую требованиям безопасности для объектов любой категории охраны.

7. ПРИМЕНЕНИЕТЕОРЕТИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК ПРИ РЕШЕНИИ ПРАКТИЧЕСКИХ ВОПРОСОВ СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД НА ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ УРАЛА

Серьезные сложности в обеспечении безопасности промышленных объектов возникли на шахте Северопесчанской при разработке мощной рудной залежи с размером по простиранию 1500 м, залегающей в интервале глубин от 250 м до 800 м в ме-таморфизованных породах крепостью /= 12. Промплощадка шахты, включающая два подъемных ствола, оборудованных башенными копрами с многоканатными подъемами, и центральный вентиляционный ствол, при переходе горных работ на третий этаж на глубину 450 м в результате выполаживания углов сдвижения до 43°, вместо проектных 60°, попала в зону опасных сдвижений, и с развитием горных работ возникала опасность подработки центральных стволов. Для их охраны был оставлен в лежачем боку залежи предохранительных целик, в котором консерви-

ровалось свыше 14 млн т руды. Кроме того, в центральной части рудного тела оставлялся барьерный целик размером по простиранию 100 м, разделявший выработанное пространство и зону обрушения на два локальных участка, в котором дополнительно консервировалось 8 млн т руды.

Исследованиями процесса сдвижения с использованием разработанных методик установлено, что в условиях преобладающего сжатия по простиранию месторождения и обусловленных этим фактором особенностей формирования вторичного напряженного состояния отработка барьерного целика должна привести к снижению величин сдвижений и деформаций на промплощадке за счет придания зоне обрушения формы с меньшими коэффициентами концентрации в области охраняемых объектов.

По решению Минчермета СССР, принятому на основе прогноза процесса сдвижения, разработка верхней части барьерного целика, в объеме 3,2 млн т руды, была начата в 1981 г. и завершена в 1983 г. Нижняя часть целика разрабатывается одновременно с основными запасами рудного тела и в настоящее, время из нее добыто еще более 3 млн т.

Использованные принципы изменения схемы разработки месторождения основывались на способе управления процессом сдвижения горных пород, защищенным авторским свидетельством на изобретение.

Результаты отработки барьерного целика позволили с 1983 г. приступить к расконсервации части предохранительного целика лежачего бока в виде продольной полосы шириной 20 м с общими запасами 2,5 млн т.

В 1986 г. на основании исследований и в результате применения оптимальной последовательности разработки месторождения по согласованию с Госгортехиадзором СССР Минчерметом СССР утверждены новые нормативные углы сдвижения, внесенные в действующие правила. Внедрение их позволило расконсервировать из предохранительного целика лежачего бока дополнительно 4,5 млн тонн, разработка которых начата с 1986 г. и ведется до настоящего времени.

На Высокогорском железорудном месторождении наиболее серьезные проблемы охраны сооружений имели место при разработке Восточного рудного поля, представленного Восгочио-Рев-динскими, Западно-Ревдинскими и Ново-Меднорудянскими зале-

жамн. В рудоносной зоне этих участков залегает серия пластооб-разных рудных тел мощностью до 20 м с углами падения 55—70°. Мегнетитовые руды и вмещающие породы, состоящие из роговиков, порфиритов и их туфов с коэффициентом крепости от 9 до 14, устойчивы.

На земной поверхности в висячем боку Восточного рудного пояса находились подъездные железнодорожные пути металлургического завода,, линия электропередачи, комплекс зданий городской больницы и большое число индивидуальных жилых домов. С переходом очистных работ на более глубокие горизонты в зону опасных сдвижений попадали многоэтажные жилые дома г. Н. Тагила.

Прогнозные теоретические оценки развития процесса сдвижения по разработанным методикам в комплексе с инструментальными наблюдениями в натурных условиях выявили возможность увеличения нормативных углов сдвижения, внедрение которых нри разработке горизонтов -130 м и -210 м позволяло сохранить указанные объекты без консервации рудных запасов. По согласованию с Госгортехнадзором СССР для пород висячего бока в действующих правилах были изменены нормативные углы сдвижения с 60° до 75° для ВРЗ и с 70° до 80° для ЗРЗ.

На Гороблагод^тском железорудном месторождении прогнозирование процесса сдвижения применялось для проектирование мер охраны от подработки промышленных объектов и обеспечения безопасности совместной (открыто-подземной) разработки месторождения. Рудоносная толща представлена серией пласто-образных рудных тел мощностью от 2 до 50 м, залегающих согласно со слоистостью под углими падения 35°—-45° в комплексе метаморфизованных слоистых вулканогецно-осадочных пород крепостью 10—12.

Месторождение разрабатывается комбинированным способом: северная часть — Центральным карьером, южный фланг — шахтой Южной. Южный борт карьера охранялся от подземных разработок предохранительным целиком с запасами руды 4 млн т, разделяющим карьерное и шахтное поля. Отработку его запасов было решено осуществить открытым способом, что позволяло продлить срок эксплуатации Центрального карьера более ч^м на. 15 лет. Безопасность совмещенной разработки обеспечи-

валась на основе прогноза развития процесса сдвижения в зонах совмещения и на прилегающих территориях.

Совмещение и перекрытие рабочих зон открытых и подземных разработок позволило производить ежегодно отсыпку 2 млн т вскрыши карьера в зону обрушения шахты, что исключило отвод новых территорий под внешние отвалы и сократило транспортные расходы на перевозку вскрыши.

Опыт практического решения проблем сдвижения горных пород в сочетании с инструментальными наблюдениями й теоретическими исследованиями послужил основой "Правил охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на месторождениях руд черных металлов Урала я Казахстана", согласованных в 1990 г. Госпроматомнадзором СССР, Госгортехнадзором Каз. ССР и утвержденных Минметом СССР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано решение научной проблемы разработки геомеханических моделей и методов расчета параметров сдвижения горных пород п области влияния подземной разработки мощных рудных месторождений в скальных массивах системами с обрушением, основанных на установленных зависимостях парамет-. ров процесса сдвижения от полного тензора первоначальных напряжений, включающего гравитационные и тектонические силы, внедрение которых обеспечивает рациональное размещение и безопасную эксплуатацию сооружений и природных объектов в области влияния горных работ, что имеет высокое народнохозяйственное и социальное значение.

Основные научные, методические и практические результаты диссертационной работы сводятся к следующему;

1. Обоснована и разработана геомеханическая модель процесса сдвижения скального массива горных пород в области влияния подземной разработки мощных рудных месторождений. Установлено, что схематически она может быть представлена в виде упругого однородного изотропного полупространства с выемкой, отображающей зону обрушения, заполненной обрушенными породами.

2. Обоснованы определение и задание свойств среды модели и ее граничных условий. Показано, что для масштаба задач, решаемых в области сдвижения горных пород, в большей мере подходят результаты определения свойств массива горных пород и параметров его первоначального напряженного состояния на больших базах, соизмеримых с размерами рассматриваемых участков мульды сдвижения.

3. Разработаны методики и математический аппарат для расчета горизонтальных и вертикальных сдвижений, г также полного тензора горизонтальных и вертикальных деформаций в области влияния подземных разработок. Доказано, что: для расчета горизонтальных сдвижений и деформаций правомерно^применение плоских задач теории упругости, расчетные схемы которых отображают плоское сечение модели на нужной глубине. Вертикальные сдвижения и деформации рассчитываются интегрированием вертикальных деформаций единичных плоских сечений на полную глубину разработки.

4. Установлены закбномерности формирования мульды сдвижения в зависимости от формы зоны обрушения и параметров первоначального напряженного состояния. Выявлено, что строение поля горизонтальных сдвижений, характеризуемое их векторами, при круглой форме провала зависит от анизотропии первоначального напряженного состояния. При соотношении а,/ф < 1/3 в мульде сдвижения образуются участки, на которых сдвижения направлены от зоны обрушения в глубь массива. Вокруг эллиптического провала строение поля горизонтальных сдвижений зависит от модуля эллиптичности и направления осей эллипса относительно направления действия главных первоначальных напряжений.

5. Выявлены особенности формирования ноля вертикальных сдвижений в области влияния подземных разработок, заключающиеся в образовании вокруг провалов круглой и эллиптической формы четырех зон, в двух из которых проявляются поднятия, а в двух оседания. На лучевых границах между ними вертикальные сдвижения отсутствуют.

6. Экспериментально подтвержден высокий уровень соответствия между результатами теоретических исследований по разработанным методикам и данными'инструментальных измерений в промышленных условиях. Коэффициент корреляции между тео-

ретическими и инструментальными параметрами процесса сдвижения изменяется от 0,30 до 0, 93 при увеличении базы от 24 до 325 м. Дискретный характер деформирования реальной блочной среды в расчетах учитывается -экспериментально установленными пределами колебания сдвижений и деформаций, зависящими от размеров рассматриваемых участков.

7. Внедрены рекомендации по охране сооружений и природных объектов, разработанные на основе теоретических положений, защищаемых в диссертации, обеспечившие безопасную эксплуатацию сооружений на предприятиях Богословского рудоуправления, Гороблагодатского рудоуправления и Высокогорского ГОКа, расконсервацию рудных запасов предохранительных целиков и использование зон обрушения для размещения вскрышных пород.

8. Результаты исследований использованы в обосновании действующего нормативного документа "Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на месторождениях руд черных металлов Урала и Казахстана" (Утв. 2.08.90 г. Минметом СССР, согл. 21.06.90 г. Госпро-матомнадзором СССР и 19.04.90 г. Госгортехнадзором Каз. ССР).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих' работах:

1. Измерение напряжений в массиве крепких горных пород (соавт. Н. П. Блох). — М.: Недра, 1970.—124 с.

2. Исследование структуры поля напряжений в крепких горных породах и ее влияние на результаты натурных измерений (соавт. Н. П. Плох, А. В. Зубков, Я. И. Линии, В. Е. Боликов) // Измерение напряжений в массиве горных пород (Материалы III семинара). Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1972.— С. 136—140.

3. Напряженное состояние-горных пород рудных месторождении Урала (соавт. Н. П. Блох, А. В. Зубкои)// Напряженное состояние земной коры (по измерениям в массивах горных пород). — М.: Наука, 1973 — С. 87—106.

4. Управление горным давлением на железных рудниках (соавт. Н. П. Влох). — М.: Недр;;, 1974,— 184 с.

5. А. С. 542829 СССР, МКИ" Е 21 С 39/ВД. Регистрирующее устройство для контроля относительного сдвижения горных пород (соант. Н. Г1. Влох, А. В. Булгаков) — № 1641392/03; Заявлено 10 03.71; Опубл. 15.01.77. // Открытия. Изобретения. — 1977.— — С. 49,

6. Измерение напряжении! о состояния массива крепких горных пород на •юльшнх базах //Измерение напряжений в массиве горных пород: Ч. I. — Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1976.—С. 106—И1.

7. Результаты применения метода измерения напряжений массива крепких горных пород на больших базах (соавт. Б. А. Храмцов) Ц Измерение напряжений в массиве горных пород: Ч. И. — Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1976,—С. 66—70.

8. Напряженное состояние массива горных пород некоторых рудных месторождений Урало-Казахстанского региона (соавт. Б. А. Храмцов, В. А. Сани) Ц Напряженное состояние породных массивов. — Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1978,—С. 71—75.

9. Экспериментально-аналитический метод измерения напряжений больших участков горного массива (соавт. Б. А. Храмцов) // Подземная добыча руд черных металлов.— Кривой Рог: НИГРИ, 1978.— С. 40—^44.

10. Выбор места заложения стволов и других сооружений при разработке мощных крутопадающих железорудных месторождений (соавт. П. Н. Бессольников) // Горн. журн. —1978.— №11.— С. 45—46.

11. Взаимосвязь сдвижений и деформаций земной поверхности с естественными напряжениями массива горных пород на Северопесчанском месторождении (соавт. В. А. Беркутов, А. Ш. Бекселеев, Б. А. Храмцов, П. Н. Бессольников) // Горное давление, методы управления и контроля: Материалы Всесоюзн. конф. по механике горных пород, Фрунзе, 3—5 октября 1978. — Фрунзе: Илим, 1979.—С. 255—261.

12.0 мерах по охране центральных стволов шахты Северопесчанская от родработки (соавт. В. А. Беркутов, Б. А. Храмцов, П. Н. Бессольников) // Горн. жури. —1979,—г №5.— С. 34—36.

13. Определение границ зоны трещин при подземной разработке месторождений с крепкими вмещающими породами (соавт. В. А. Беркутов) // Физ.-техн. пробл. разработки полезных ископаемых.— 1979.— >61.— С. 9—15. .

14. Особенности сдвижения горных пород в условиях тектонических полей напряжений железорудных месторождений // Горн. журн.— 1980.— Ш,—С. 47—49. '

15. Роль тектонических напряжений "в развитии горизонтальных сдвижений горных пород // Диагностика напряженного состояния и свойств горных пород в массиве. — Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1980.— С. 105—108.

16. Деформационные свойства массива горных пород железорудных месторождений // Физические свойства пород в массиве. — Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1982,— С. 116—122.

17. Управление сдвижением массива горных пород на основе экспериментальных данных о первоначальных напряжениях // Геомеханическая ин-

гериретацня результатов натурного эксперимента'.'— Новосибирск? ИГД СО АН СССР, 1983.—С. 17—21. - . . •

18. Проявления тектонического поля напряжений на Сарановском хроми-топом месторождении (соавт. Л. М. Казаков) // Геомёханическая интерпретация результатов натурного эксперимента. — Новосибирск:- ИГД СО АН СССР, 1983,—С. 50—54. '. - „сг <,

19. Сдвижение горных пород и земной поверхности при подземных разработках (под общ. ред. В. А. Букринскоган Г. В. Орлова, соавт; В. И. Борщ-Компаниец, И. М. Ватутина, В. М. Варлашкин н др.). — М.: Недра, 1984.-— 247 с. (195—237).

20. Метод прогнозирования процесса сдвижения на железорудных месторождениях (соавт. А. М. Казаков) // Черная металлургия: Бюл. НТН. — 1934.— № 6.— С. 44—46.

21. Явления иэостазни при разработке месторождений полезный ископаемых // Приложение результатов исследований полей напряжений к решению задач горного дела и инженерной геологии. — Апатиты: Кольский фил. АН СССР, 1985.— С. 27—31.

22. Сдвижение горных пород в условиях тектонических полей напряжений на рудных месторождений (соавт. А. М. Казаков) // Изменение напряженно-деформированного состояния и свойств пород в массиве при отработке месторождений полезный ископаемых.— апатиты: Кольский фил. АН СССР, 19S5.— С. 31—39.

23. А. С. 1190040 СССР, МКИ4 Е 21 С 43/06. Способ управления процессом сдвижения горных пород под охраняемыми объектами (соавт. В. А. Беркутов, В. П. Драскоя) — 3721558/22—03; Заявлено 27. 12.83; Опубл. 07.31.85.//Открытия. Изобретения.— 1985.—41.— С. 141.

24. Геофизический мониторинг массива горных пород на Северопесчан-скон шахте (соавт. Силаева О. II., Пономарев А. В. и др.) // Горная геофизика, 1 ч,—Тбилиси, 1989,— С. 39—Í2.

25. Diskrete nature of rock mass deformation (Babayanz G.M.) // Rock at great depth: Proceedings International Simposium. Pau. 1989.— V. 1.— Balkema / Rotterdam: Brokfield, 1 (989,— P. 495—496.

26. Геомеханические проблемы горнодобывающих предприятий металлургической промышленности (соаат. В. Е. Беликов) // Горн. журн. — 1992.— №3.— С. 38—40.

27. Estimation of underground mining effects on mine structures in case of a discrete deformation of rock mass // Assessment and Prevention of Failure Phenomena in Rock Engineering. International Simposium. Istanbul. 1993. — Balkema/Rotterdam: Brokfield. 1993.—P. 849—851.

28. Флюктуации естественного поля напряжений верхней части ¡емч-ш коры (соавт. О. И. Силаева, А. А. Сашурин) // X Международная конф. р i

,яи но механике горных пород 27. 09—01.10.1993 г. Тезисы докладоо.— М.,

1993.—С. 27.

29. Напряженное состояние верхней части земной коры // Управление на пряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых: Всерос. конф.: Тезисы докл. ИГД СО РАН, ИГД УрО РАН. — Новосибирск — Екатеринбург, 1994.—С. 43—45.

30. О параметрах первого инварианта напряженного состояния верхней части земной коры // Первый Международный семинар "Напряжения в литосфере (глобальные, региональные, локальные)". Тезисы докладов.— М.,

1994.—С. 162.