Исследование геомеханических условий отработки железорудных месторождений горной Шории и Хакасии тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.07 ВАК РФ

РГ6 од - 8 ОКТ »

На правах рукописи

Синкевич Николай Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ОТРАБОТКИ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ГОРНОЙ ШОРИИ И ХАКАССИИ

Специальность: 01,02.07 - "Механика сыпучих тел,

грунтов и горных пород"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новокузнецк 1996

Работа выполнена в Восточном научно-исследовательс горнорудном институте. Сибирской Государственной горно-мет, лургической Академик и Институте горного дела Сибирского от, ления Российской Академии наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

ФРЯНОВ ВИКТОР НИКОЛАЕВИЧ

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

ЕГОРОВ ПЕТР ВАСИЛЬЕВИЧ

доктор технических наук ЕРЕМЕНКО АНДРЕЙ АНДРЕЕВИЧ

Ведущее предприятие - Институт горного дела Уральск отделения Российской Академии наук

Защита диссертации состоится "16" октября 1996 в 13 час. на заседании диссертационного совета Д 003.17.0 Институте Горного Дела СО РАН (630091, Новосибирск,Крас Проспект, 54).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Инстит Горного Дела СО РАН.

Автореферат разослан "13" сентября 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор "А.И.Феду

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. Эффективность развития горнодобывающей промышленности в условиях перехода ка рыночную экономику при подземной добыче полезных ископаемых, во многом определяется интенсивностью технологических процессов, оптимальные параметры которых существенно зависят от геомеханического состояния массива горных пород.Степень реализации новых технологических решений и безопасность работ существенно снижаются при отработке глубоких горизонтов, где происходят динамические явления в виде толчков, микроударов и горных ударов.Положение усугубляется наличием геотектонического поля с преобладанием горизонтальной составляющей полного тензора напряжений.

Влияние каждого из указанных динамических явлений изучено достаточно подробно, однако закономерности комплексного влияния основных геомеханических факторов (вида напряженно-деформированного состояния, свойств пород, направления напряжений, устойчивости обнажений и др.) на параметры технологии ведения горных работ изучены не полностью.Особенно это актуально для месторождений Сибири, в частности Хакассии. Горной Шории и др, где ограниченность знаний о закономерностях геомеханических процессов при отработке удароопасных залежей на глубоких горизонтах не позволяет интенсифицировать технологические процессы и обеспечить эффективность производства.

Поэтому актуальным является изучение закономерностей распределения свойств горных пород, напряженно-деформированного состояния удароопасных зон, и их комплексного влияния на параметры горных выработок, что позволит при использовании

~ Ц ~

этих закономерностей интенсифицировать технологические процессы и повысить безопасность работ и эффективность производства.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является установление закономерностей изменения пространственного распределения прочностных и дефомаци-онных свойств горных пород, напряженного состояния в массив» при отработке железорудных месторождений Горной Шории и Хакас сии в сложных природных условиях.

ИДЕЯ РАБОТЫ состоит в том, что при отработке железорудны: месторождений, характеризующихся неравномерным распределене! горных пород и тектоническим полем напряжений, геомеханическш параметры регламентируются степенью удароопасности и направлением главных напряжений.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ:

- установить закономерности распределения хрупкости, пределов прочности на сжатие, растяжение и деформационные характеристики горных пород, степени удароопасности на глубоких горизонтах, отрабатываемых, проектируемых и строящихся руднико! Горной Шории и Хакассии;

- изучить закономерности параметров напряженно-деформированного состояния нетронутого горного массива на месторождениях Горной Шории и Хакассии;

- -изучить изменение напряженно- деформированного состояния массива горных пород в зоне влияния очистных работ дл5 обоснования параметров технологических процессов при отработке охранных, опорных целиков и проведении капитальных выработок;

- установить влияние компонентов главных нормальных напряжений на устойчивость стенок вертикальных стволов на большю

глубинах.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ включают:

- научный анализ и обобщение результатов экспериментов;

- лабораторные определения прочностных, деформационных характеристик, хрупкости и удароопасности горных пород;

- натурные эксперименты при установлении параметров поля напряжений на перспективных участках Таштагольского месторождения с использованием методов полной и частичной разгрузки.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ЗАЩИЩАЕМЫЕ АВТОРОМ:

- механические и деформационные свойства горных пород Таштагольского месторождения не зависят от их типа и возраста, а хрупкость с увеличением глубины залегания изменяется циклически с периодом около 200 м;

- гравитационно-тектоническое поле напряжений в нетронутом горном массиве на рудниках Горной Шории и Хакассии характеризуется линейной зависимостью напряжений от глубины залегания горных пород, а горизонтальные напряжения существенно превышают гравитационные;

- на месторождениях Горной Шории максимальные горизонтальные напряжения в нетронутом массиве действуют по простиранию рудных тел, а в процессе отработки последних системами с обрушением, горизонтальные максимальные напряжения меняют направление по параболическому закону в зависимости от расстояния до фронта очистных работ' и в зоне полной разгрузки действуют вкрест простирания рудных залежей;

- деформации элементов крепи стволов линейно зависят от величины главных напряжений, а устойчивость обеспечивается установкой податливых элементов в закрепном пространстве.

, - 6-

ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛОЖЕНИЙ подтверждается:

- опытами (более 3 тыс.), проведеными при изучении проч ностных и деформационных свойств основных'типов пород к оценк их удароопасности с помощью прибора УМГП-3 (на 5 рудниках 14 горизонтах);

- внедрением результатов экспериметов на производстве полученным экономическим эффектом;

- сходимостью результатов измерений напряженно-деформиро ванного состояния в шахтных условиях и полученных путем расче тов (отклонение 8-11%);

- шахтными инструментальными наблюдениями с применение ЭВМ, при обработке результатов в частности определения абсо лютных напряжений в скальном массиве методом полной разгрузки

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в установлении:

- корреляционной зависимости распределения прочностных : деформационных характеристик и циклического изменения хруп кости пород по глубине залегания;

- закономерностей рарпределения компонетов главных нор мальных напряжений в нетронутом массиве на больших глубина; Таштагольского. Одиночного, Абаканского месторождений, которьк характеризуются гравитационным, вертикальньм напряжением, ! горизонтальным, которое в 2-3 раза больше вертикального;

- закономерностей изменения направления и величины главных напряжений при отработке рудных тел системами с обрушение! на месторождениях Горной Шории;

- закономерности деформирования стенок стволов на большю глубинах при установке в закрепляемом пространстве податливы) элементов, обеспечивающих компенсацию упругих деформаций и по-

вьшения устойчивости крегш.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА заключается в:

- проведении лабораторных испытаний по прочностным и деформационным свойствам основных типов пород и оценке их ударо-опасности;

- установлении параметров напряженно-деформированного состояния массива вне зоны влияния очистных работ на месторождениях Горной Шории и Хакассии;

- проведении натурных наблюдений за изменением напряженно-деформированного состояния массива горных пород в зоне влияния очистных работ, и обоснование параметров технологических процессов;

- разработке и экспериментальной проверке конкретных рекомендаций по выбору конструктивных податливых элементов крепи ствола.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы в:

- использовании и внедрении рекомендаций при подготовки и отработки очистных блоков 170, 180, 190 на участке "Новый Ше-регеш" в этаже +185-Н-255 м;

- повышении устойчивости обнажений при очистной выемке на Казском, Шерегешском рудниках и управление выработанным пространством при помощи создания предохранительной (рудо-породной) подушки для' обеспечения высокоэффективной отработки рудной залежи; ■

- разработке проектной документации действующих рудников и технологических решений, позволяющих снизить деформации в вертикальных стволах и использованы при перекрепке нарушенной части ствола "Сибиряк" на Таштагольском руднике.

- Б -

Экономический эффект в ценах 1990-1992 годах составш 78.37 тыс. рублей.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ.Фактические результата инструментальных исследований вошли в отчет "Исследование у обоснование конструктивных параметров крепи, армировки и условий безопасной проходки вертикальных стволов при повышенно}, горном давлении и удароопасности на рудниках Сибири" и использованы АО "Сибгипроруда" при проектировании перекрепки нарушенной части ствола "Сибиряк" длиной 109 м с использованием в качестве податливых элементов пустотелых шлакоблоков.На Казском, Шерегешевском рудниках АО "Сибруда" используются рекомендации автора работы по безопасной отработке опорных блоков-целиков, находящихся в зоне возможного проявления повышенного горного давления.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и были- одобрены на горной секции научно-технического совета ВостНМГРИ, техсоветах Таштагольского, Шерегешевского, Казского, Абаканского рудников. Всесоюзном научно-техническом совещании "Технология и механизация крепления подготовительных и нарезных выработок" (Кривой Рог,1991г), Всероссийской конференции "Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых" (Екатеринбург, 1994г), Пятой научно-практической конференции по проблемам машиностроения горных- машин и горного дела (Новокузнецк, 1994Г).

ПУБЛИКАЦИИ.По результатам выполненных исследований опубликовано 6 научных статей.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, 4 глав, изложенных на 207 страницах машинописного текста, 48 рисунков, 35 таблицы, заключения, списка использованных' источников из 90 наименований и приложения.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д.т.н.,проф., действительному члену АИН РФ Фрянову В.Н., д. т.н. Кулакову Г. И., д. т.н. Еременко A.A., к. т.н., Леонтьеву А.В., к.т. н. Попову С. Н., а также научным сотрудникам ИГД СО РАН, ВостНИГРИ и СибГГМА за ценные замечания при выполнении и обсуждении результатов исследований, работникам АО " Сибруда", Таштагольского, Шерегешского, Казского,Абаканского рудоуправлений и службам ППГУ рудников за советы и помощь, оказанную при выполнении работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ПЕРВОМ РАЗДЕЛЕ установлено, что основным Фактором, осложняющим горнотехнические условия разработки рудных месторождений на относительно большой глубине, является интенсификация геомеханических процессов, в т.ч. в виде динамических явлений.

Исследованиям закономерностей проявления динамического горного давления посвятили свои работы В.К.Аксенов, С.А.Ватутин, И.М.Батугина, В.И.Бояркин, Н.С.Булычев, II.П.Влох, Б.Ш.Винокур, В.Т.Глушко, П.В.Егоров, А.А.Еременко, А.В.Зубков,

B.А.Квочин, ' А.А.Козырев, Г.И.Кулаков, М.В.Курленя, А.В.Леонтьев, Г.А.Марков,. Г. Т. Нестеренко, И. М. Петухов,

C.Н.Попов, И.Д.Ривкин, . А.Д.Сашурин, И.А.Турчанинов,

-10-

М.Б. Устюгов, А. Т. Шаманская, Б.В.Шрепп и многие другие.

Доказано, что основной причиной возникновения динамических проявлений горного давления в разных формах интенсивности является концентрированное накопление потенциальной энергии упругого сжатия горных пород, величина которой зависит от глубины разработки, исходного поля напряжений, механических свойств пород, геологического строения и тектоники района.'

Отмечено, что на железорудных месторождениях, отрабатываемых в удароопасных условиях, на динамические проявления горного давления -существенное влияние оказывают геодинамические процессы: динамические проявления - горного давления в форме шелушения, интенсивного заколообразования, стреляния, толчков и микроударов на глубине 300 м, а на глубине 600 м и более имеют место горные удары различной интенсивности, приуроченные к зонам разломов, и отличаются внезапностью проявления. .

Напряженное состояние Таштагольского месторождения стало объектом исследования практически после первых динамических проявлений горного давления.

Для своевременного прогноза удароопасности на железорудных месторождениях разработано много методов, регистрирующих величины и характерные особенности проявлений горного давления, деформации и сдвижения в массиве горных пород.

В .работах С.А.Ватутина, П.В.Егорова, Г.Т.Нестеренко, А.Т.Шаманской (СФ ВНИМИ), В.И.Бояркина, Б.В.Шреппа (ВостНИГ-РИ), И.Д. Ривкина (НИГРИ) и др. определялись напряжения методом полной разгрузки на глубинах 400-650 м и 900 м, вне и в зоне влияния очистной выемки. Они установили, что вне зоны влияния очистной выемки на глубине до 550 м действуют напряжения

- II-

61 = -2.5^*Н; (32 = -1.3г*Н; 63 = -¿*11 на глубине 900 м (гор.-350 м)

(31 = -3.0£*Н; 62 = -1. ЗД*Н; 63 = -¿*Н где 61-горизонтальная составляющая по простиранию, МПа; 62-горизонтальная составляющая вкрест простирания рудной залежи, МПа; вз-вертикальная составляющая напряжения, МПа.

Максимальные главные сжимающие напряжения вне зоны влияния горных работ ориентированы по азимуту 140±20 градусов,т.е. по простиранию месторождения и наклонены к горизонту под углом 20-30 градусов.Установлено, что в зоне очистных работ действующие напряжения больше, чем вне зоны влияния очистных работ.В зоне влияния очистных работ главные максимальные сжимающие напряжения действуют вкрест простирания рудных тел месторождения.

Существование повышенных напряжений на месторождении можно объяснить еще тем, что район Горной Шории и Хакассии относится к сейсмоактивной зоне Алтае-Саянской складчатой области, в которой имеют место современные тектонические движения земной коры с деформациями сжатия.

ВО ВТОРОМ РАЗДЕЛЕ приведены результаты исследований горных пород, позволяющие уточнить и дополнить информацию о свойствах горного массива в конкретных горно-геологических условиях. Исследования механических (пределов прочности на сжатие и растяжение) и деформационных (модуля упругости и коэффициента Пуассона)'характеристик горных пород осуществлено на Таштагольском железорудном месторождении, расположенном на юге Кемеровской области в Горной Шории.

Изучение влияния глубины залегания на прочностные и де-

формационные свойства горных пород, проводилось на Ташта-гольском железорудном месторождении для проведения испытаний был отобран керновый материал из геологоразведочной скважины 704, пробуренной в створе будущего ствола "Шория-1" на новой промплощадке.

Получены исходные данные о деформационных и прочностных свойствах основных типов пород для глубоких горизонтов Ташта-гольского месторождения.Установлено. что габбро-порфириты (Е>7.14*104МПа), порфирита (Е>7.95*10*МПа), туфы (Е>6.85*10' МПа) и туфолава (Е>7.05*10 МПа) являются прочными, хрупкими породами с высоким модулем упругости, сделана прогнозная оценка механических свойств.

Испытания образцов • на хрупкость и оценка их удароо-пасности осуществлялась с помощью прибора УМГП-3 по методике Л.А.Шрейнера посредством вдавливания индентора (пуансона) в образец породы.

Прибор снабжен самописцем и позволяет производить запись характера разрушения на масштабную ленту в осях "напряжение-деформация". Графики деформации хрупких пород имеют вид возврастающих кривых, резко обрывающихся в момент разрушения образца под пуансоном, а пластичные - плавных кривых.

Для оценки относительной хрупкости горных пород вычислялись методом графического построения следующие коэффициенты удароопасности:

где К1, К2 - коэффициенты хрупкости по степени удароопасности горных пород; £у - упругая деформация; £п - полная деформация;

К1 = Бу / Еп , К2 = Е / М ,

(1) (2)

Е - модуль упругости породы, МПа; М - модуль спада.

Коэффициенты К1 и К2 характеризуют склонность материала к хрупкому разрушению за счет упругой энергии, накопленной в самом материале.

Все основные горные породы, которые находятся в разрезе ствола "Шория-1" можно отнести к категории "удароопасные", поскольку у всех типов пород К1 > 0.7 и К2 < 1.0 и Кхр=((3сж/бр)> 6.0 .Это означает, что горные породы Ташта-гольского железорудного месторождения способны накапливать энергию упругой деформации на нагруженных участках и склонны к динамическим проявлениям при достижении предельных значений напряжений.

По результатам лабораторных исследований прочностных и деформационных свойств основных типов пород для глубоких горизонтов Таштагольского месторождения по интервалам глубин скважины 704, установлены закономерности их распределения которые заключаются в том, что предел прочности пород на сжатие беж и растяжение бр изменяется в широких пределах, соответственно от 30. 4 ДО 197.1 МПа, <3сж.=114.2±56.6 МПа; от 4.95 до 24.8 МПа, бр.=14.9+7.4 МПа.Модуль упругости варьирует от 1.1 до 7. 95*10* МПа, Е=4.5+2.3*104 МПа, а коэффициент Пуассона от 0.06 до1

Наибольшей степенью удароопасности характеризуются прочные хрупкие породы с модулем упругости более 6.85*10 МПа, такие как: габбро-порфириты (Е>7.14*10 МПа), порфирита (Е>7.95*10 МПа), туфы (Е>6.85*10*МПа), туфолава (Е>7.05*10*МПа).

В ТРЕТЬЕМ РАЗДЕЛЕ изучены закономерности изменения форм проявления горного давления как в зоне ведения очистных работ.

-14 - ••

так к за пределами влияния' этой зоны, показана необходимость выявления особенностей геологического строения и тектоники не только. Таштагольского месторождения, но и всей прилегающей горной области.

Характерной особенностью рассматриваемой области является ее складчато-блоковая (глыбовая) структура.Простирание важнейших складчатых структур соответствует двум преобладающим сквозным системам тектонических разломов северо-западному (азимут=300-320 градусов) и менее выраженному северо-восточному (азймут=30-50 градусов)'.

Особенностью разломов этого направления является слабая их выраженность на верхних горизонтах, эти разломы скрытые, не выходящие на поверхность, по которым на протяжении всей геологической истории Земли непрерывно происходили тектонические движения.

Проведенные за последние годы эксперименты по оценке уровня напряжений в северном торце и на новых участках Таштагольского месторождения (рис.1) и других месторождениях Горной Шории показали, что с увеличением глубины отмечается значительный рост напряженности массива (табл.1).

Месторождения Алтае-Саянской складчатой области характеризуются тектоническими сжимающимися полями напряжений, которые неравномерны.Направленность главных нормальных напряжений может коррелировать с размерами, формой и типом структурных блоков. Установлены разные формы проявления горного давления в капитальных выработках, которые обусловлены высокой напряженностью массива, обязанной своим происхождением современным тектоническим движениям.

Таблица 1

Параметры напряженности массива вне зоны влияния очистных пабот на Таштагольском, Шерегешевском, Казском и 'месторождении "Одиночное" Краснокаменского РУ

Месторождение, место замера

Величина и азимут напряжений, МПа

гориз. вкрест прост.

гориз.

по прост.

вертик. напряжения

Азимут мах напряжений град.

Таштагольское, ств. "Сибиряк" (Н=1046 м) гор.-350 м,Новая пр. площадка (Н-900 м) Шерегешевское гор.+185 м, уч."Под-русловый" (Н=419 м) уч."Главный"р-н ств. "Главный" (11=419 м) Казское

гор.- 20 м (Н=470 м) гор.- 90 м (Н-540 м) гор.-160 м (Н=6Ю м) "Одиночное" гор.- 30 м (Н=605 м)

-290.0

- 53.9

- 29.8

- 68.4

- 32.0

- 53 7

- 54! 6

- 23.7

-165.0

- 25.5

- 19.6

- 25.0

- 5.2

- 36.0

- 37.1

- 8.5

-28.0 -19. 8

-11.3

-38.8

-13. О -14.6 -16.5

-14. 2

355

356

305 305

79

80 80

352

Блоки-целики образовались в результате ведения горных работ встречной выемки, за счет чрезмерных концентраций напряжений вкрест простирания рудных тел(<31=-5. 2*^*Н), по простиранию . (б2=-3.8*<ИН), и действия сосредоточенной нагрузки от вмещающих пород на постоянно уменьшающуюся площадь целиков.Следствием этой ситуации в блоке-целике участка "Главный"в выработках бурового горизонта блоков 33, 34 явился мощный толчок.

Инструментальный контроль напряженно-деформированного состояния массива опорных блоков-целиков осуществляется с помощью методов щелевой разгрузки и глубинных реперов.

Кроме того для оценки напряженно-деформированного состояния вмещающих пород и изменения его во времени в районе блока-целика участка "Главный" на гор.+395 м были оборудованы наблюдательные станции (рис.2) жестких глубинных реперов N6

скаООЗ ®

КЗ 389

В» НИН«

ЕЕ-т« ЕМч.

и™ айну

И ('.ли 552

ММН

Э н !.« 55С

Ш 1чл ™

«НЯШ1

Шс,, иа

ним

Ц£]1Ь-Е35 •ми; Б 50

6?8

1 КШ1М vckjKSLHU.HI

Ш ы

и хиппи чмшаша |

I 1-.Ьш1 1хнжмн> ьм

-¡жкгпзйзга,

Нпа* Диягояннр-оозр

НАПРЯЖЕННОСТИ

та

н\ X

№ «К 1355 Й£««ад Т. год -ив«яцотг пшжжти па си. N 603

-К544ЛДОТ йМСТШКТИ ПО СК8. К Ш

-китдоты вджти К. и Н8 ло сш.7№ -игоияш» щкш икетзйши 13 гош -«ВЭЛФИЦИИШ НИПЖШ Н, И На ПО 1НЕ.603

_-гейш вдет | о 1-игишм.ГУ

ЯШ МОДОСТИ: 1-«Ш.Н?М: 2-МВИ.Н603

Рис.1. Интенсивность изменения напряжений по глубине

(лежачий бок) и N8 (висячий бок) .Измерения деформаций между рабочими реперами Rl, R2, Р.з, R4 и опорными R01 и R02 проводили примерно раз в месяц.

По станции N6 наблюдения проводились в период с июня 1992 года по ноябрь 1993 года.

Установлены три цикла деформирования горных пород между реперами:

1 цикл - сжатие горных пород: имеют место смещения сжатия д£=-2 мм на базе 119 м;

2 цикл - равновесия всех сил действующих в горном массиве: при котором вмещающие породы в районе блока-целика участка "Главный" имеют небольшие сжимающие напряжения ».£-•*■ 0;

3 цикл - растяжения горных пород: в массиве действуют смещения растяжения д£=+2.2 мм.

По станции глубинных реперов N8 (висячий бок) по реперам R1-R01 имеют место сжимающие смещения со средним значением а£=-7. 8 мм.По реперам R2-R01 и R3-R01 не отмечено существенного деформирования массива вмещающих пород с апреля 1993 года, так как на участке "Главный" был взорван блок М22 (11.04.1993 г.), в рудном теле прошла разгрузка.

По реперам R1-R02 измерены смещения сжатия со средними значениями д£=-13.4 мм.По R2-R02 зарегистрированы небольшие сжимающие смещения с д£—0.87 мм.

По проведенным измерениям установлено, что массив вмещающих пород в районе блока-целика находится под воздействием знакопеременных смещений.На базе R1-R01 и R2-R01 в массиве вмещающих пород действуют устойчивые во времени смещения сжатия.

55.5 м

Рис. 2. Схема станции глубинных реперов N8 на Шереге-шевском месторождении (гор.+395 м, орт М8), блок-целик участок "Главный"

Таким образом, с течением времени в районе блока-целика горные породы с различными прочностными и упругими свойствами имеют разный характер (знакоперименный) деформирования.В более упругих породах происходит концентрация напряжений, степень ударсопасности возрастает. .

Напряженно-деформированное состояние массива в области влияния очистных работ характеризуется составляющей максимальных напряжений действующей вкрест простирания рудных залежек по азимуту (А=37-52 град.).

Действующие напряжения сжатия (б1=-82.4 МПа,б2=-37.0 МПа) могут вызвать снижение устойчивости обнажений массива при предельном эквивалентном пролете 214 м и различной мощности рудной зоны.

Анализ результатов исследований напряженно-деформированного состояния ствола "Сибиряк" показал, что тектонические силы создают в массиве неоднородное поле напряжений на глубоки) горизонтах Таштагольского месторождения, и на основании иссле-

г.

3. Графики изменения деформаций по параметру ствола "Скбяткк" Таштагольсксго месторождения (станция 112 глубина 806 м): а - абсолютные деформации; б - относительные деформации; в - скорость изменения относительной деформации во "времени; 1,2,3,4,5,6,7,8 - цифровое обозначение измерительных линий

по параметру ствола

дований построены диаграммы абсолютных и относительных деформаций внутреннего контура крепи ствола (рис.З). Приращение относительных деформаций во времени (в течении 280 суток) в крепи ствола по станции контурных реперов N2 (Н=806 м) носят затухающий характер.

Максимальные деформации крепи ствола отмечаются в направ-

-S

лении близком к С-3 (А=105 град.) и составляют Еотн=-15.9*10.

Второй максимум деформаций крепи отмечается в С-В направлении

-3

(А=45 град.) и достигает значений Еотн=-21.6*10 .

Деформационные процессы стабилизируются в течение четырех месяцев (117 суток) с начала возведения крепи.Установлено, что скорости релаксации напряжений вмещающих ствол пород в значительной мере определяются применяемыми технологическими схемами проходки стволов, т.к. процессы эти временные.

В ЧЕТВЕРТОМ РАЗДЕЛЕ обоснованы конструктивные параметры крепи вертикальных стволов, для строящихся в удароопасном массиве.Для этого изучалось напряженное состояние горного массива Абаканского месторождения, разбитого разрывными нарушениями на отдельные тектонические блоки. Рудное поле месторождения вскрыто новым стволом "Клетевой" для отработки глубоких горизонтов.

Эксперименты проводились вблизи движущегося забоя ствола "Клетевой" при его проходке на глубинах 98 м, 118 м и 172 м методом частичной разгрузки на больших базах.

Результаты экспериментов, проведенных на новой промпло-щадке Абаканского месторождения в районе ствола "Клетевой", представлены в табл.2.

Тектоническое сжимающее поле напряжений имеет направление

главных нормальных напряжений, которое зависит от региональных разломов и систем трещин северо-западного и северо-восточного направлений. Установлено, что максимальные сжимающие напряжения действующие по прсстиранию вне зоны очистных .работ (Sl=-43.8 МПа, €>2=+1.45 МПа) при изменении глубины от 118 до 650 м увеличились (Sl=-103.1 МПа, б2=-89.4 МПа) и устойчивость стенок вертикальных стволов уменьшается, а направление максимальных напряжений на новой промплощадке в районе ствола " Клетевой" не изменило своей ориентировки и по прежнему действует в северо-восточном направлении по азимуту А=37 град., также, как и в стволе " Главный".

В условиях тектонического поля напряжений сжатия, когда горизонтальные напряжения в 1.8-3.0 раза больше вертикальных, необходима геомеханическая оценка технологических схем проходки стволов.

Применяемые схемы проходки должны предусматривать использование временной крепи для обеспечения технологической разгрузки от высоких тектонических напряжений. Поэтому полностью исключается применение совмещенных схем.Для обеспечения завер-

Таблица 2

Результаты оценки напряженности горного массива вне зоны влияния очистных работ на Абаканском месторождении

Месторождение, место замера Глубина забоя ствол.м Компоненты глав.напряж.МПа Азимут гл. напряжений град.

<31 62 бз

Абаканское

ств."Клетевой" 98 - 10.4 - 5.70 -2. 6 38

118 - 43.8 + 1.45 -3.2 39

172 - 13.6 -10.70 -4.6 37

отв."Главный" 645 - 58.3 - 9.10 -17.4 36

650 -103.1 -89.40 -17.6 38

шения релаксационных процессов и разгрузки массивов от высоких

напряженкй, рекомендуется к использованию последовательная параллельная (в варианте без щита-оболочки) схемы проходк стволов.

В этих условиях, деформации, вызванные ползучестью поро, нельзя предотвратить возведением жесткой крепи. Схемы, обеспе чивающие применение временной крепи, позволяют вести работы п возведению постоянной крепи на значительном расстоянии 25-30 ! от забоя ствола и временным промежутком, достаточным дл: обеспечения требуемой релаксации напряжений и технологическое разгрузки массива.Деформационные процессы предлагается компенсировать за счет податливых элементов, в качестве которы; рекомендуются транспортерные ленты, шириной 2.5-3.0 м. размещенные в 1-2 слоя.

Идея создания буферного сминаемого слоя реализована путе* использования податливых элементов в конструкции крепи вертикальных стволов из пустотелых шлакоблоков с пределом прочностс на сжатие 5-12 МПа, податливости конструкций в радиальном направлении до 3.7 мм без потери грузонесущей способности и е дальнейшем до 200 мм с несущей способностью 30-50% от предела прочности.

Установлено, что при- отработке запасов рудного тела от центра к флангам давление на выработки к фланговым блокам пол* будет уменьшаться, так,как очистная выемка перемещается из области высокого давления к зонам низких давлений.Поэтому е условиях Шерегешевского месторождения на подготавливаемых горизонтах (+185 м и ниже) очистные работы необходимо вести сплошной выемкой от центра к флангам, без образования временных блоков-целиков, являющихся концентраторами напряжений и от

-23-

лежачего бока к висячему.

Рекомендуется на месторождениях полезных ископаемых следующая технология проведения и крепления стволов:

- проходку стволов до глубины 600.м вести по параллельной схеме, с применением монолитной железобетонной крепи с одинарной сеткой арматуры, а на глубине более 600 м - по последовательной схеме, обеспечивая технологическую разгрузку массива за счет введения временной податливой металлической крепи в виде колец из швеллера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся научной квалификационной работой, в которой содержится решение задачи, заключающейся в обосновании геомеханических условий отработки глубоких уда-роопасных железорудных залежей, обеспечивающих эффективную отработку рудных тел при безопасных условиях труда.

Основные научные выводы и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Прочностные свойства горных пород Таштагольского месторождения на глубинах 160-520 м при горно-геологических условиях изменяются в широких пределах: предел прочности на одноосное сжатие 30-^200 МПа, на растяжение 4.95-^24.80 МПа, значительно варьируют модуль упругости Е = 4.52+2.3 * 10*КПа, и коэффициент Пуассона0.24±0.12.Горные породы по степени удароопасности ранжируются следующим образом: габбро-порфириты, порфирита, туфы и туфолава.Установлена зависимость цикличности коэффициентов хрупкости по степени удароопасности Kl, К2 для

основных типов горных пород возрастает а пластичности кпл. уменьшается с глубиной ведения горных работ от 600 до 760 м, при К1=0. 92-Ю. 98, К2=0. 06-^0.10 и кпл=1. 026М. 096.

2. Горизонтальные составляющие напряжений больше в 2-3 раза, чем вертикальные, а направление максимальных напряжений вне зоны влияния очистных работ действует по простиранию рудных тел .Тектоническое поле напряжений на месторождениях Горной Шории и Хакассии характеризуется средне квадратичным отклонением (±24.6 МПа), горизонтальные напряжения составляют- в среднем (-75.7 МПа), а вертикальные близки к ¿*Н; а азимут направления максимальных напряжений остается в пределах 318f356 град, и имеет соотношение компонентов главных нормальных напряжений:

61 : Й2 : ЙЗ = 2.7 : 1.3 : 1.0

В зоне влияния очистных работ направление максимальных напряжений ориентировано по азимуту А=52 град. т.е. вкрест простирания рудных тел и имеет соотношение компонентов главных нормальных напряжений:

61 : <22 : 63 = 3.8 : 1.9 : 1.0

3. Массив Шерегешевского месторождения в районе блока-целика находится под воздействием знакопеременных деформаций. По измеренным реперам в боках горной выработки на базе 119 м в массиве вмещающих пород выявлены устойчивые деформации сжатия, которые зависят от времени и изменяются по гиперболической зависимости.

4. В Горной Шории на Таштагольском месторождении вне зоны влияния очистных работ действует гравитационно-тектоническое поле напряжений, в котором- горизонтальные напряжения превышают

вертикальные в 2-3 раза, величины горизонтальных напряжений при изменении■ глубины с 760 до 1050 м вкрес-т простирания рудных тел увеличиваются с -37.5 до -290.0 МПа, по простиранию с -19.1 до -165.О МПа, а азимут направления максимальных напряжений в этом диапазоне глубин остается в среднем равен А=336-18 град.На Шерегешевском месторождении в зоне влияния очистных работ при глубине более 200 м в блоке-целике характеризуются компонентами главных нормальных напряжений, максимальная горизонтальная составляющая сжатия действует вкресг простирания рудных залежей -62.О МПа по азимуту А=50 град., по простиранию -17.0 МПа;

5. Методом частичной разгрузки на больших базах в стволе "Клетевой" и "Главный" на разных глубинах установлено, что в призабойном массиве вертикальных стволов отмечаются существенные преобладания упругих смещений в горизонтальной плоскости.После взрывания забоя стволов зарегистрировано значительное приращение смещений сжатия: "Клетевой"-( упругие ¿£=-4.63 мм)," Главный"-(упругие л£=-6.51 мм), что объясняется преобладанием на Абаканском месторождении горизонтальных тектонических напряжений, действующих вне зоны влияния очистных работ в северо-восточном направлении азимут (А=37-39 град.).

6. Увеличение податливости пород в закрепляемом пространстве в вертикальных стволах обеспечивается установлением податливых элементов с использованием транспортерных лент и размещением их по направлению действия максимальных и минимальных напряжений, технологией проведения и крепления стволов по параллельной и последовательной схеме проходки.

7. В Хакассии на месторождении "Одиночное" для нетронуто-

го массива при изменении глубины с 245 до 605 м величины горизонтальных напряжений по простиранию установлены в пределах i -21.2 до -25.0 МПа, вкрест простирания с -8.5 до -14.3 ЫПа; азимут направления максимальных напряжений при этом остаетс5 равен 352 град.На Абаканском месторождении при увеличении глубины с 118 до 650 м напряжения увеличиваются в 2.3 раза \ составили при Н=650' м по простиранию -103.1 МПа, вкрест простирания -89.4 МПа, при этом относительные деформации возросли в 1.3 раза, что приводит к снижению устойчивости стенов вертикальных стволов в северо-восточном направлении по азимуту 37-39 град.Снижение деформаций крепи обеспечивается за счет расположения на пути главных составляющих напряжений податливых элементов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Результаты инструментальной оценки деформирования контура выработок // Всес. науч.-техн. совещ."Технология и механизация крепления подготовительных и нарезных выработок":Тез. докл. / Кривой Рог, 1991. - С. 17 (соавторы: Б.В. Шрепп, А.М.Нохрин, Ю.В.Глашкин и др.).

2. Геомеханические условия, отработки участка "Новый Ше-регеш" // Безопасность труда в промышленности.-1994. N6 -С.16-20 (соавторы: Б.В.Шрепп, Ю.Н.Никуленко, В.В.Дорогунцов).

3. Управление напряженно-деформированного состояния массива горных пород при• открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых // Всес. конф.: Тез. докл. / Новосибирск-Екатеренбург, 1994. -С. 64-66 (соавторы: Б.В.Шрепп, Н.И.Скляр, В.А.Ваганова).

-274. Исследование вопросов геомеханики и удароопасности при подготовке месторождения "Одиночное" // Горный журнал. -1994. N10 -С.49-52 (соавторы: Б.В.Щрепп. И.Н.Салманов, Д.В.Зырянов).

5. Прогноз напряженно-деформированного состояния горного массива на рудниках Сибири // Науч.-прак. конф. "Материалы пятой научно-практической конференции": Сб.труд. / Новокузнецк, 19957 -С.12.

6. Геомеханическая оценка условий отработки глубоких горизонтов Шерегешевского месторождения // Безопасность труда в промышленности. .-1995. N7-0.29-33 (соавторы: Б.В. Шрепп, А. В. Мозолев, В.Н.Никитин и др.).

Лицензия на издательскую деятельность ЛР N020353 Издательский код Т 18

Подписано в печать Формат бумаги 60*84 1/16

Бумага писчая. Печать офсетная Усл. печ.л. 1,45. Уч. изд. 1,62. Тираж 100 зкз. Заказ272-

СИБИРСКАЯ.ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова 42, Издательский центр СибГГМА