Геомеханическое обоснование выемки подработанных рудных залежей тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.07 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕЖЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА

На правах рукописи

Болтенгаген Игорь Львович

УДС 622.831

ГЕСМЕХАНИ-ЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫЕМКИ ПО/РАБОТАНШХ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ

Специальность 01.02.07 - Механика сыпучих тел, грунтов и горных пород

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новосибирск - 1993

Работа выполнена в Институте горного дела СО РАН

Научный руководитель: академик РАН

КУРЛЕНЯ Михаил Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ЕГОРОВ Пётр Васильевич

кандидат физико-математических наук НАЗАРОВ Леонид Анатольевич

Ведущая организация: Институт горного дела (г.Екатеринбург)

Защита диссертации состоится "" 1994 г.

/

в /■* часов на заседании специализированного совета Д 003.17.01 при Институте горного дела СО РАН по адресу: 630091, г. Новосибирск, Красней проспект, 54

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела СО РАН.

Учёный секретарь специализированного совета, доктор технических наук, профессор

ШЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. В практике разработки полиметаллических месторождений иногда экономически выгодно первоочередное извлечение нижни* пологих залежей в многоярусной толще оруденени-а. Эти залежи часто имеют более высокое содержание ценны* компонентов. В целях сохранения педраба гывлелих залежей для последующей выемки добычу богатых руд ведут с полной закладкой выработанного пространства. Однако и в этом случэе происходит сдвижение подработанной толщи и изменение поля напряжений в горном массиве. При выбере схем раскройки подработанных залежей, очерёдности выемки блоков, ориентации и направления подвигания очистных «фронтов необходим учёт изменений состояния массива, вызванных подработкой. Задача геомеханического обоснования технологических схем зыемки подработанных рудных залежей связана, в чзстности, с перспективой отработки вкрапленных и медистых руд Талнахского и Октябрьского месторождений, подработанных на больших площадях в результате первоочередной выемки богатых руд. Изучение основных особенностей состояния подработанной залежи позволяет обосновать параметры технологических систем на стадии проектирования и разработать способы управления горным давлением при ведении работ.

Цепь работы - Г€х:механическое обоснование конструктивных элементов систем разработки с закладкой при выемке модных пологопадаюцих подработанных рудных залежей.

Идея работы заключается в использовании характера деформирования подработанного массива и исходного поля напряжений для обеспечения устойчивости конструктивных элементов систем разработки путём изменения их параметров.

Задачи исследований:

обосновать геомеханическую модель, позволяющую с достаточной точностью прогнозировать основные закономерности поведения массива горных пород, подработанного на большой площади (параметры модели должны соответствовать данным о механических свойствах пород и результатам измерений напряжённо-де<{ормированного состояния массива);

- с помафю разработанной геомеханической модели изучить распределение напряжений на рудниках Талнаха в современных условиях и дать прогноз изменения поля напряжений при дальнейшем развитии горных работ;

- исследовать устойчивость конструктивных элементов технологических систем разработки подработанных залежей и обосновать рекомендации по управлению состоянием конструктивных элементов.

Методы исследований включают анализ и обобщение выполненных ранее исследований, натурные эксперименты, численное моделирование, сопоставление

теоретических и экспериментальных результатов.

Научные положения. защищаемое автором:

- нелинейный характер зависимости давления в закладке от конвергенции кровли и почвы является следствием технологической недозакладки выработанного пространства;

- дополнительное пола напряжений, формирующееся в результате выемки протяжённых пологих залежей, не зависит от значений исходных горизонтальных тектонических напряжений и определяется технологическими параметрами;

- устойчивость очистных выработок в призабойном массиве, подработанном защитным перекрытием по почве залежи, определяется конфигурацией области разрушений, сформированной в результате "среза" выклинивающегося из массива рудного уступа.

Достоверность научных результатов и рекомендаций обеспечивается значительным объёмом экспериментальных исследований, обоснованием используемых математических моделей деформирования горного массива, выполненным на основе сравнения прогнозных теоретических оценок с экспериментальными данными.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель для описания поведения подработанного горного массива, учитывающая нелинейный характер деформирования закладки, связанный с наличием технологической недозакладки',

- установлены вид исходного напряжённого состояния массива горных пород Талнахского месторождения и характер деформирования искусственного массива, созданного в выработанном пространстве в результате ведения горних работ;

- предложена расчётная схема для определения напряжённого состояния конструктивных элементов комбинированного способа выемки подработанной рудной залежи при различных значениях их параметров;

- опережаюцая выемка одного из сближенных пологих рудных теп обеспечивает возможность ведения очистных работ в под- или надработанньх залежах без создания дорогостояцих заикгных перекрытий;

- создание по почве залежи протяжённого (порядка её мощности) опережающего слоя, заполненного высоко-марочными закладочными смесями, позволяет применить вариант сплошной камерной систем* разработки мощных пологих рудных тел на больших глубинах.

Практическая ценность научных результатов заключается в обосновании следующих технических решений: извлечение подработанной залежи комбинированным способом, выем<а сближенных пологих залежей с минимальными затратами на создание защитных перекрытий и применение варианта камерной системы разработки с формированием защитного слоя по почва залежи.

Реализация работы. Основные результаты исследований использованы в

"Рекомендациях по технологическому регламенту для проектирования систем разработки первоочередного участка вкрапленных руд на руднике "Комсомольский" Норильского ГЖ",1988 г., в "Рекомендациях по технологическому регламенту для проектирования систем разработки медистых руд в поле рудника "Сктябрьский" (шахта Л1) Норильского ГМ<", 1989 г. и в "Программе-методике опытно-промшпенных испытаний камерной систем* разработки с созданием защитного слоя по псмве залежи в горно-геологических условиях взброшенного блока 6-7 панелей рудника "ТаЛмьрский" (гор.-1050 м)", 1990 г. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов исследований в ценах 1938 г. составляет 450 тыс.рублей в.год.

Апробация работы. Основные научные результаты докладывались на Всесоюзном семинаре "Аналитические метода и применение ЭВМ в механике горных пород" (г.Новосибирск, 1985 г.), на региональном семинаре "Численные методы оценки устойчивости конструктивных элементов подземных сооружений" (г. Апатиты, 1986 г.), на Всесоюзном семинаре по измерению напряжений (г.Новосибирск, 1937 г.), на Всесоюзном семинаре "Управление развитием горных работ при подземной разработке рудных месторождений" (г.Красноярск, 1937 г.), на 9-ой Всесоюзной конференции по механике горных пород (г.Фрунзе, 1989 г.), на научно-технических конференциях Норильского горно-металлургического комбината (г.Норильск, 1983, 1990 гг.) на международной конференции "Геомеханика 91" (г.Острава, 1991 г.) и на Всесоюзных школах-конференциях молодых учёных.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Объём и структура работы. Материалы диссертационной работы состоят из введения, четырёх разделов, заключения и приложения, изложенных на 1Л4 страницах машинописного текста, включая 29 рисунков и список использоаглных источников (129 наименований),

Благодарности. Автор выражает признательность предложившему направление исследований научному руководителю М.В.Курлене за постоянное внимание и поддержку работы, С.Н.Попову за многочисленные советы и предложения, В.А.Шалаурову за рекомендации по вопросам технологии выемки подработанных залехей, В.К.Федоренко за помсщэ в проведении экспериментальных исследований методом гидроразрыва скважин и А.Л.Талсиеву за обсуждение геомеханического состояния подработанного рудного уступа.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В работе на примере рудников "Комсомольский", "Октябрьский" и "Таймырский" Норильского горно-металлургического комбината изучены особенности состояния подработанных массивов и дано геомеханическое

обоснование технологических решений. Основной подход геомеханических исследований заключается в следующем: с использованием имеющихся экспериментальных данных строится конечно- элементная модель объекта и с её помощью прогнозируется горно- техническая ситуация.

В первой главе изложены состояние изученности вопроса, цель и задачи исследований.

Сделан обзор литературных источников по влиянию напряжённого состояния на выбор технологических решений. С увеличением глубины разработки напряжённо-деформированное состояние горного массива оказывает всё более заметное влияние на выбор технологии выемки залежей. Рациональное изменение технологических решений снижает интенсивность негативных проявлений горнйго давления. Оптимальные параметры конструктивных элементов технологических систем выемки подработанных залежек! определяется следуидими особенностями напряжённого состояния подработанного массива: повышенная структурная нарушс-ьность, разгрузка в зоне сдвижений и пригрузка у контура подработки. Определение исходного напряжённого состояния и его изменений в процессе ведения горных работ позволяет прогнозировать геомеханические условия выемки подработанных рудных залежей.

Выполнен анализ работ по методам определения и расчёта напряжённого состояния массива горных пород. Информация об исходном поле напряжений в массиве может быть получена только на основе экспериментальных измерений в натурных условиях. Натурные методы исследования .напряжённого состояния характеризуются высокой трудоёмкостью, а для получения достоверных данных требуется выполнение большого обьёма экспериментальных работ. В связи с этим сложно установить общие закономерности распределения напряжений при создании выработанных пространств в результате ведения горных работ. На этом этапе основная роль принадлежит математическому моделированию напряжённого состояния, а результаты натурных измерений служат обоснованию модели и подтверждению получаемых оценок• Надёжные прогнозные данные о поле напряжений и о состоянии выработок в подработанном рудном массиве при развитии горных работ обеспечиваются комплексным применением методов численного моделирования и данных экспериментальных наблюдений за сдвижением массива.

Рассмотрены проблемы геомеханического анализа горно- технических ситуаций. Неполная исходная информация о геологическом строении массива, свойствах пород, начальных напряжениях и ограниченные возможности моделирования предопределяют точность геомеханических предсказаний и делают оправданным приближённый анализ состояния массива. Наибольший эффект от применения геомеханических исследований достигается при использовании их результатов на стадии проектирования разработки месторождений и при

последующей корректировке рекомендация в процессе ведения горных работ.

Результаты геомеханических исследований состояния массива горных пород на месторождениях Талнаха изложены в работах Е.И.Ильницкой, И.М.Пэтухова, В.Д.Палия, А.Н.Стаерогина, Д.М.Бронникова, С.В.Кузнецова, И.И.Айнбиндера, Е.И.Шемякина, М.В.Курлени, П.В.Егорова, С.Н.Попова, В.Н.Опарина,

A.П.Тапсиева и других авторов.

Во второй главе дано геомеханическое обоснование выс-мки подработанной залежи вкрапленных руд Талнахского месторождения. После, первоочередного извлечения залежи богатых никелевых руд на глубине 600 м образовано заполненное закладкой выработанное пространство размерами в плане 400x900 м и высотой около 30 м. В результате подработана 50-метроеая толща вкрапленных руд, расположенная непосредственно над закладочным массивом и выходящая за границу подработки. Планируется начать отработку вкрапленных руд от центра подработанной области двумя расходящимися фронтами. Обсуждаются два основных способа выемки вкрзпленных руд. Первый - широко применяемый и хорошо изученный способ отработки системами со сплошной закладкой выработанного пространства. При достаточно высокой стоимости закладки и относительно низкой стоимости вкрапленных руд альтернативным является комбинированный способ (предложен для условий Талнаха

B.А.Шалауровым). Сначала отрабатываются первичные полосы с закладкой. Между ними формируются рудные целики, которые с некоторые отставанием отрабатываются с обрушением (рис. 1,а,6). Этот способ позволяет сэкономить на закладке в ценах 1988 г. около 3 млн. . рублей в год. Однако при его использовании возникает ряд геомеханичесхих проблем. Основным является зопрос о напряжениях в рудных целиках вторичных полос. Обоснованию комбинированного способа разработки и посвяцён данный раздел.

На первом этапе создавалась геомеханическая модель, позволяадая описать современную обстановку на руднике. Сравнение решений двухмерной и грёхмерной задач показало, что состояние подработанного массива в центральной части рудного тела можно моделировать в плоской постановке. Сравнение решений задач на двух сетках, одна из которых более детально воспроизводила геометрию области решения, доказало возможность «пользования простой сетки, учитывающей только основные параметры [неровность рельефа и эффективные деформационные свойства, постоянные для >сего массива). Стремление добиться наилучшего соответствия имеющихся экспериментальных и расчётных данных привело к построению следующей модели >заимодействия закладочного и породного массивов. До тех пор, пока ;онвергенция кровли и почвы выработанного пространства не превысит величину - .н. "эффективного технологического недозакпада" давление в закладке ринимается равным нулю. При больших величинах конвергенции реакция

восток 2Э---

РАЗРЕЗ Л-А на плане/

планируемая иЗГеЛ^

4 выемка ~J ^ 12 Н=60(

вкрапленные руды 1 W J»>Jf V/Л'Л'//^

богатые руды Н.;

........ ' - < s,/ f< / f t

-R:Vr m

..Л.'.-

î717!" Ifgg; i целик на T закладке

t ЛГ Я tfHKMHKKlf

t Ц V I я г

45м

.nntirnni innin 1«««пгпиааппипп».г.г

< закладка;. ; ■ "опережёние 'первичного Фронта

пролет отработки богатых руд

б

ПЛАН

тн . о в • О ' ' a , • • ■ О г : *'ГГ. ' о А' .V

§ggg§

H о ° • ;■ о ■ ■ . * 'О ' .у.)

-Ч,

конвёргенция

Рис.1. Разрез (а) и план (б) рудного тела ( ± , И. - первичные (закладка) и вторичные (обрушение) полосы комбинированного способа разработки вкрапленных руд). Зависимость давления в закладке от конвергенции кровли и почвы выработанного пространства (в).

закладочного массива пропорционально увеличивается (рис.1,в). На рис.2,а приведено сопоставление экспериментальных и расчётных данных для смещений подработанного массива и давления в закладочном массиве. Достаточно хорошая сходимость экспериментальных и расчётных данных не случайна, т.к. основные параметры модели (величина недозаклада и деформационный модуль массива) подбирались т.о., чтобы добиться наилучшего соответствия.

Для пополнительной экспериментальной проверки результатов моделирования выполнялись эксперименты методом гидроразрыва скважин. На рис.1,а показан разрез рудного тела и местоположение четырёх вертикальных и одной горизонтальной измерительных скважин в вьработке, расположенной в 40 м над закладочным массивом (пролёт около 350 м). В каждой скважине выполнялось от 2 до 12 разрывов и получены соответствующие величины давлений разрыва, раскрытия и стабилизации. Давпе>$*е раскрытия трещины является линейна?

а

б

реакция закладочного \ массива, МПа над

/ ' I- 350м

-—-линия нивелирования

.расчет

МПа

й 40

'й о

20

«

о« н к о к

§! 0 20

I

I

1.3.

40 МПа

йр, компонента "север-юг" исходных напряжений

в

0 20 40 МПа вертикальная компонента исходных напряжений

Рис.2. Сравнение экспериментальных и расчетных данных (а). Компоненты исходного поля напряжений по результатам экспериментов методом гидроразрыва скважин и моделирования (б).

функцией компонент напряжений ст. Напряжённое состояние в массиве <т является суммой исходного оа ьг изменения Ла напряжённого состояния в результате ведения горных работ, т.е. экспериментальные величины давления раскрытия трещины являотся линейной Функцией компонент исходного ст„ и дополнительного Да поля напряжений. Моделирование показало, что в данном случае протяжённого горизонтального выработанного пространства дополнительные напряжения Дет не зависят от горизонтальных компонент исходного поля напряжений ст„. С помощью экспериментальных величин давлений раскрытия трещины и расчётных значений дополнительных напряжений Да получены компоненты исходного поля напряжений в каждой измерительной скважине. На рис.2,б показаны результирующие графики для исходного поля напряжений. Побая точка на этих графиках, определягацая исходное напряжённое состояние, соответствует экспериментальным данньм и результатам моделирования. Взаимная согласованность результатов, полученных по данным в различных скважинах, расположенных за границей и в зоне подработки, свидетельствует о достоверности численного моделирования. Более того, из предположения о

а

б

50/

Й 0

200 400 м пролет отработки вкрапленных руд

200 400 м пролет отработки вкрапленных руд

Рис.3. Зависимости вертикальных напряжений на забое вторичных полос от пролёта отработки вкрапленных руд при различных технологических параметрах:

а - опережение первичного фронта равно 50 м, соотношение размеров вторичных и первичных полос приведено у соответствуюцих пиний; б - соотношение размеров полос равно 1, величина опережения первичного фронта (м) приведена у соответствующих линий.

равенстве вертикальной компоненты исходного поля напряжений jH (16 МТа) получена оцг-нка горизонтальных компонент исходного поля напряжений. Сделан вывод о гидростатическом исходном напряжённом состоянии в окрестности рудной залэжи, т.е. горизонтальные компонента исходного поля напряжений равны и соответствуют весу налегающей топци пород.

На втором этапе с помощью созданной численной модели прогнозировалась ситуация на руднике при выемке подработанных вкрапленных руд комбинированным способом. Получена зависимость напряжений на фронте вторичных полос от технологических параметров, таких как пропеты отработки нижней залежи богатых никелевых руд и верхней залежи вкрапленных руд, соотношение размеров первичных полос, отрабатывае^х с закладкой, и вторичных, отрабатываемых с обрушением, а также величина отставания фронта отработки вторичных полос от фронта отработки первичных полос. Для расчёта были использованы результаты решения задач в плоской постановке. После отработки залежи богатых руд в массиве происходят сдвижения. Последующая выемка подработанной залежи приводит к добавочным смещениям. Вертикальные напряжения в подработанном массиве и дополнительные конвергенции выработанного пространства при различных пролетах отработки нижней залежи

богатых руд и верхней залежи вкрапленных руд полумены с помси»ыо численного моделирования. ГЪ напряжениям в подработанном массиве и дополнительной пригрузке при выемке вкрапленных руд оценивались напряжения в рудных целиках, расположенных на закладке. На рис. 3 приведет зависимости напряжений на забоях вторичных полос от пролёта отработки вкрапленных руд для различных технологических параметров комбинированного способа разработки при пролёте отработки нижней залежи богатых руд 600 м. Соотношение размеров полос незначительно изменяет напряжения на забое вторичных полос (увеличение ширины первичных полос в 4 раза от 0.5 до 2.0 размеров вторичных полос увеличивает напряжения не более чем на 2 КПа). Вертикальные напряжения в рудных целиках могут достигать величины -уН, что в несколько раз превышает прочность закладки. В основном, геомеханические условия определяются пролётами отработки залежей богатых и вкрапленных руд и наименее благоприятная ситуация ожидается при соотношении пролётов 0.2-0.6.

Третья глава посвяцена обоснованию выемки медистых' руд Октябрьского месторождения. На глубине 900 м две мощных пологих залежи богатых никелевых и медистых руд разделены 50-70-метровым слоем вкрапленной руды. В результате первоочередной выемки запасов нижней залежи мощностью 20-30 м образованы заполненные ■ закладкой выработанные пространства размерами в плане 400x800 м (шахта 1) и 200x1000 м (шахта 2). Ширина межшахтного целика 300-350 м (рис.4,а). Планируется дальнейшее увеличение выработанных пространств, уменьшение разделительного массива до 200 м, последующая его поперечная разрезка и выемка двумя расходяцимися фронтами. Предусматривается возможность ввода в эксплуатацию частично подработанной 50-метровой тоггци медистых руд. Возникает ряд геомеханических проблем. Во-первых, изменение состояния верхней залежи, вызванные подработкой, необходимо учитывать при анализе последовательности выемки её запасов (в частности, при размещении линии разрезки). Во-вторых, требует оценки возможность применения уже созданных выработок между нижней и верхней залежами при добыче медистых руд. В-третьих, необходим геомеханический анализ извлечения медистых руд, выходяцих за границу подработки.

На первом этапе моделировалась современная ситуация на руднике, сложившаяся в результате ведения горных работ на шхтах 1 и 2 рудника. Основная трудность при построении модели состоит' в ограниченности экспериментальных данных. Имелись лишь данные о сдвижениях подработанного массива (BHVM1, ГМОИД НГШ). Предложена методика, позволяющая получить параметры модели с помочью только этих данных. Рассмотрено заполненное закладкой выработанное пространство пролёта L на глубине 900 м, моделирующее пихту 1 рудника (разрез В-В на рис.4,а). Неизвестны, с одной

в

вертикальные напряжения на линии нивелирования

МПа Г\

30

20

V' 10 У t

300м

т

о f-i

а ы в

ИКЙ •

Л В5 а Й

dsos S, ее« о

RUviO о Rp,u3

а в

200f 150.

10050

0

I I

Г

д.,

С* -

yifma

1

тт

25м

эксперимент —Ь расчет - •

200 м пролет,L

о и о

; w; № 05

ФНВ

Кок

S-Q О

а

св о

Р.С6

О «2 О

и

эк шер 'ът шен Ш/ г

\ / / if

\ У /у У

У / Г ч^ •f

расчет

5 1С

15

120

Рис.4. План шахтного поля (а). Зависимость максимальных сдвижений подработанного массива от пролёта отработки шахты 1 (б). Вертикальные напряжения и сдвижения подработанного массива Св).

На плане: - - - - контур залежи медных руд, - - контур залежи

никелевых руд, >У.-| - заполненное закладкой выработанное

пространство.

стороны, деформационные свойства массива, с другой - характер деформирования закладки. На рис.4,6 гриведена экспериментальная зависимость максимальных сдвижений подработанного массива от пролёта. С помощью моделирования выработанного пространства малых пролётов без учёта давления в закладке получен деформационный модуль массива. Рассчитанные при модуле упругости массива 40 ГПа максимальные смещения (точка А) хорошо соответствуют экспериментальным данным (пролёт 150 м). При больших пролётах расчёты без учёта закладки дают завышенные значения смещений (точка В). Соответствующим подбором давления в закладке получено соответствие экспериментальных и расчётных данных (точки С и Д). На рис.4,в (внизу)

приведены экспериментальные и расчётные смещения в подработанном массиве при давлении в центральной части закладочного массива 7.5 МТа. Т.е использование экспериментальных данных о сдвижениях позволило получить модуль упругости вмещающего массива, используемый при дальнейшем моделировании, и давление в закладке. На шахте 1 рудника "Октябрьский" его можно оценить в 5-10 ИТа, что более чем в 2.5 раза меньшэ -уН. На рис.4,в (вверху) показано распределение вертикальных напряжений в подработанном массиве шахты 1 при пролёте 300 м. Следует обратить внимание на незначительное влияние закладки (пунктир) на формирование поля напряжений. Роль закладки при данных пролётах сводится к незначительному подпору подработанного массива, которого, тем не менее, достаточно, чтобы предотвратить его разрушение. Закладка улучшет состояние подработанного массива и для получения оценок "с запасом прочности" при моделировании её можно не учитывать. Рассчиташ напряжения в межшахтном целике, сот пасующиеся с результатами экспериментальных исследований методом гидроразрыва скважин. Моделирование начальной стадии выемки подработанных медистых руд показало незначительное её влияние на общую геомеханическую ситуацию на руднике, в частности, на напряжённое состояние разделительного-массива.

На втором этапе анализировалось состояние массива между выработанными! пространствами в результате выем<и никелевых и медистых руд и моделировалась отработка части залежи медистых руд, которая расположена за границей подработки и разветвляется на несколько пластов. Расчётная схема соответствовала вертикальному разрезу север-юг рудника (разрез С-С на рис.4,а). Размеры выработанных пространств на этой стадии ведения горных работ сопоставимы по длине и ширина, поэтому проводилось сравнение решений задач в плоской и трёхмерной постановке и сделан вьеод о возможности применения результатов решения задач в плоской постановке. На рис.5,а,б приведены распределения соответственно дополнительных горизонтальных и вертикальных напряжений в междупластье гри выем<е нижней залежи никелевых руд (сплошные линии 1) и последующем извлечении верхней залежи медистых руд (пунктирные линии 2). Последующая надработка междупластъя не ухудиает. состояние расположенных там выработок: в большей части массива между залежами (за исключением 100- метровой приграничной области) появляется горизонтальный подпор, препятствующий появлению разрушений.

При анализе последовательности извлечения запасов медистых руд в близкорасположенных пластах за границей подработки доказывалось следующее! положение^ При первоочередной выемке одного из пластов (например, верхнего)) горное давление в нижнем снижается до уровня, при котором возможно ведение' горных работ без дорогостоящих защитных мероприятий (в частности, без'

я]г Я

Е* Р-, й -

к а цез Ф I о к К О.Е-1 к ОФЙШ к « « И ЗОЧ« ооо Р*-1 О Кг МП

о Я ч и

\ г /./ // /,-у/7/ / // ///!/// /

- «се

И ВВ

ей О яЗ

н н л -

К О Ц1К

<о о 01 в и я в к О I во С ИГЕ К

„„з Яч« . о о в о л хи И СО с в вое) г (=1 К

в

вертикальные напряжения на забое нижнего пласта, МПа

-ШГ73 ы

опережение забоя

у//////////////{¿////у//////771

верхнего пласта жя»

Рис.5. Распределение дополнительных горизонтальных (а) и вертикальных (б) напряжений в междупластье. Снижение концентрации напряжений на забое нижнего пласта с ростом опережения забоя верхнего пласта (в). Заштрихованное области и цифры у соответствукщих линий иллюстрируют поэтапность отработки: V//А

1. Выемка нижней залежи богатых никелевых руд - ¡///л ;

2. Выежа подработанной залежи медных руд - |\\\Ч ;

3. Выемка медных руд за границей подработки - I

создания разгружающих перекрытий над очистными выработками). График на рис.5,в иллюстрирует снижение концентрации вертикальных напряжений на фронте нижнего пласта с увеличением опережения фронта верхнего. При опережении порядка расстояния между пластами величина напряжений снижаются по безопасного уровня. Аналогичные закономерности выявлены и для изолированных пластов.

Четвёртая глава диссертационной работы посвяцена исследованию состояния краевых частей искусственного и рудного массивов при использовании систем разработки с защитным споем по почве и по кровле рудного тела. Опережающая

выемка заполненного закладкой защитного пласта с целью улучшения состояния очистных выработок для условий Талнаха рекомендована ВНИ-И в 1972 г. Сооружение перекрытия по кровле рудного тела широко применяется в различных вариантах слоевой выемки. Опыт более экономичного варианта создания защитного слоя по почве рудного тела показал низкую устойчивость очистных выработок, хотя анализ состояния призабойного массива с использованием перекрытий как в кровле, так и в почве не зафиксировал существенных различий (работы Р.Б .Бейсетаееа, В.М.Серякова, В.С.Никифоровского, М.В.Курлени. посвяценные анализу слоевых систем разработки методом конечных элементов). В данном разделе диссертационной работы исследовались особенности деформирования призабойного массива, под- или над- работанного защитным слоем.

Выполнен сравнительный геомеханический анализ варианта камерной системы разработки с созданием перекрытия в кровле и в почве рудного тела и варианта слоевой система разработки с формированием защитного пласта по почве рудного тела. Расчёты выполнялись в плоской постановке по упругой модели при следующих значениях параметров: исходное гидростатическое напряжённое состояние на глубине залегания рудного тепа 1 км, мощность закладочного массива в выработанном пространства - 28 м, высота опережагацего защитного. перекрытия -4 м, отношения Пуассона закладки и массива - 0.3, модуль упругости массива горных пород - 40 ГПа.

Для варианта камерной системы разработки исследовались защитные свойства опережахщих перекрытий. Получены зависимости максимальных главных напряжений в рудном борту очистной камеры и на обнажении закладочного массива (соответственно точки А и В на рис.6,а) от пролёта отработки, мощности рудного тела, деформационных свойств закладки и длины перекрытия. Пролёт отработки слабо влияет на напряжения в бортах камеры: увеличение пролёта вдвое со 100 до 200 м увеличивает напряжения лишь на 20%; мощность рудного тела не влияет на напряжения на рудной стенке камеры, а напряжения на обнажении закладочного массива обратно пропорциональны мощности; с ростом деформационного модуля закладки максимальные напряжения на стенках камеры пропорционально увеличиваются; изменение длины перекрытия от 8 до 40 м сопровождается незначительным (менее 15%) возрастанием напряжений на обнажении закладочного массива. Зависимость напряжений на рудной стенке очистной камеры от длины защитного перекрытия показана на рис.6,а для вариантов создания перекрытия в почве (пунктирная) и в кровле (сплоиная линии ) залежи. Выполненный анализ подтвердил заключение об одинаковом разгружающем эффекте перекрытия, созданного по почве и по кровле рудного тела.

Для исследования причин низкой устойчивости очистных выработок выполнен

б

О 16 32 м

длина перекрытия, с

Е=0 Е=450Ша

¿"=16м е =24м

^=32м ■':•:

в

Е=0

<?=16м :•'

/=24м •/•

£ =32м

Е=450Ша

Е=0 Е=4501(Ша

О

<? =1бм ••;.:1

г =24м

/ =32м Л;Н

с

Рис.8. Зависимость нагряжений на рудной стенке очистной камеры (точка А) от длины перекрытия (а). Области растягивающих напряжений в рудном массиве, подработанном (б,г) и надработанном (в) защитным перекрытием для вариантов камерной (б,в) и слоевой (г) систем разработки для различных деформационных модулей закладки (Е) и опережений перекрытия (1).

анализ напряжённо- деформированного состояния под- или над- работанного защитным перекрытием призабойного рудного массива и отмечена следующая особенность: в случае деформационного модуля закладки в перекрытии менее 1000 МТа (на практике закладка имеет модуль от 100 до 800 МПа) в рудном массиве появляются растягивающие напряжения. На рис.6,б показаны конфигурации областей растягивающих напряжений (условно названных "зонами разрушения") для варианта камерной системы разработки с созданием перекрытия в почве рудного тела при различных деформационных свойствах закладки и опережениях перекрытия. Анализ полученных величин растягивающих

напряжений и конфигураций зон разрушения позволил вьсказгпь следующее предположение о причинах появления растяжений: создание защитного перекрытия приводит к "срезу" выклинивающегося из призабойного массиза рудного выступа. Выполнены исследования зон разрушения для различных деформационных модулей закладки (от О до 750 МПа) и опережений занятного перекрытия (от О до 40 м). Увеличение длины перекрытия и деформационного модуля закладки снижает размеры зоны разрушения в борту камеры.. По критерию размера зон разрушения в борту очистной камеры не более 4 м сделан вывод о возможности применения защитного перекрытия в почве рудного тела для варианта камерной системы разработки при опережениях соьше 24 м и деформационных, модулях закладки более 300 МПа. Аналогичные исследования выполнены и для перекрыт.«, созданного по кровле рудного тела (рис.6,в). Из сравнения двух способов формирования защитного перекрытия следует, что соответствующие размеры зон разрушения меньше в случае его создания в кровле рудного тела. Однако в случае камерной систе*ы вариант создания защитного слоя по почве залежи может оказаться более предпочтительным по ряду причин. Возможные вывалы в верхней части очистной камеры приведут к обнажению закладочного массива и обрушению части защитного перекрытия в зыработанное пространство. Зона разрушений в нижней части очистной камеры приводит к менее негативным последствиям. Экономические преимущества создания перекрытия в почве рудного тепа, резко возрастающие в определённых горно- геологических условиях (подобная ситуация возникла при ведении горных работ на руднике "Таймырский") также делают более предпочтительным зариант создания перекрытия в почве залежи. Наибольшую опасность при {ормировании перекрытия в почве залежи представляот разрушения в выработках, созданных в подработанном рудном массиве (в частности, в заездах, расположенных непосредственно на закладке перекрытия). Вероятность неконтролируемых разрушений выработок может быть снижена дискретным зазбиением искусственными вертикальными трещинами подработанного массива на блоки шириной, кратной размеру очистной камеры.

Выполнены расчёты и для варианта слоевой системы разработки (рис.6,г). Применение защитного перекрытия по почве залежи допустимо при более жёстких требованиях к деформационнь« свойствам закладки и длине перекрытия.

Предложен способ создания перекрытия по почве залежи с оставлением в защитном слое разгруженных рудных целиков, позволяющий'увеличить жёсткость перекрытия, снизить размеры зон разрушения и тем самым повысить устойчивость очистных выработок при развитых пролетах отработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение научно-технической задачи геомеханического обоснования технологических решений при выемке подработанных рудных залежей.

Основные научные и практические результаты заключаются в следуюцем:

1. Предложена математическая модель деформирования искусственного массива, учитываюивя нелинейный характер зависимости давления в закладке от конвергенции кровли и почвы выработанного пространства вследствие технологической недозакладки.

2. Исследованная зависимость напряжённого состояния конструктивных элементов от технологических параметров позволила обосновать возможность извлечения подработанных вкрапленных руд Талнахского месторождения комбинированным способом, позволяющим сэкономить на закладке в ценах 1988г. около 3 млн. рублей в год.

3. По результатам экспериментальных измерений методом гидроразрыва скважин и численного моделирования исходное напряжённое состояние массива горных пород Талнахского месторождения (глубина 600 м) близко к гидростатическому (16-17 Жа).

4. ££но геомеханическое обоснование выемки частично ^дработанного массива медистых руд Октябрьского месторождения системами разработки без создания дорогостоящего опережающего защитного перекрытия.

5. Полученная с помощью комплексного применения численного моделирования и результатов наблюдений за сдвижениями массива оценка давления в центральной части закладочного массива позволила для условий Октябрьского месторождения обосновать возможность эксплуатации подработанных выработок вентиляционного горизонта при последующей их надработке вследствие выемки медистых руд.

6. Выявлен механизм формирования области разрушений в рудном уступе, под- или надработанном опережающим защитным слоем: "срез" выклинивающегося из горного массива уступа приводит к созданию растяжений, превышагацих прочность горных пород и снижающих устойчивость очистных выработок.

7. Определены требования к свойствам закладочных смесей и протяжённости защитного слоя, позвопяющие снизить негативные проявления горного давления при использовании для выемки мощной пологой залежи варианта камерной систем)! отработки с созданием опережающего перекрытия в почве рудного тела.

Основные положения диссертации изложены в следующих опубликованных работах:

1. Определение поля напряжений на руднике "Комсомольский" Талнахского месторождения // Напряжённо-деформированное состояние массивов горных пород.- Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1988. С.43-49 (соавтор В.К.Федоренко).

2. Расчёт параметров выемочных единиц комбинированного способа разработки // Оптимизация подземных горных работ на рудниках,- Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1989. С.93-98 (соавтор С.Н.Попов).

3. Деформирование упругого полупространства с гризматической полостью // Численные методы механики сплошной среда, ч.2. Тезисы докладов Иколы молодах учёных (г.Абакан 28.05-03.06.1989 г.).- Красноярск: ВЦ СО АН СССР, 1989. С.54-55.

4. Численное моделирование условий подработки рудного массива // Численные и аналитические исследования в подземном строительстве,- Апатиты: ГЦ КНЦ АН СССР, 1990. С.78-82 (соавтор С.Н.Попов).

5. Обоснование технологических решений при выемке подработанных рудных залежей // Вопросы совершенствования горных работ на шахтах и карьерах Сибири,- Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1990. С.46-52 (соавтор В.А.Шалауров).

6. Геомеханическое обоснование выемки подработанных рудных залежей // Напряжённое состояние массивов горных пород и управление горным давлением (материалы 9 Всесоюзной Конференции по механике горных пород, Фрунзе, 5-8 октября 1989 г.).- Фрунзе: ИЛИМ, 1991. С.5-18 (соавтор М.В.Курленя).

7. Geomechanical substantiation of extraction of undermined ore deposit // Ground Control in Mining (Proceedings of the 10th International Conference on Ground Control in Mining).- Morgantown: West Virginia University, 1991. P.268-271 (соавторы М.В.Курленя, С.H.Попов).

8. Геомеханическое обоснование выемки подработанной рудной залежи // ФТТРПИ,- 1992.С.68-74 (соавторы М.В.Курленя, С.Н.Попов).

9. Geomechanical substantiation of extraction of undermined copper ore deposit // Geomechanics 91 (Proceedings of the International Conference Gecmechanics 91).- Rotterdam: Balkema, 1992. P.83-87 (соавторы В.А.Шалауров, С.Н.Попов).

Подписано к печати 13 декабря 1993 г.

Формат 60 х 84/16 печать офсетная.

Объём 1 п.л. тираж 100, заказ 55

ИГД СО РАН