Обеспечение устойчивости подземных горных выработок в удароопасных условиях

Актуальность проблемы Развитие горнорудной промышленности неизбежно связано с увеличением глубины разработки. Вследствие этого, возрастают опасные проявления горного давления. Борьба с этими проявлениями, рациональное управление на основе знаний закономерностей — одна из важнейших задач горной науки и практики на этапах строительства и эксплуатации подземных рудников на глубоких горизонтах.

Горное давление может проявляться в различном виде, но наиболее сильными и катастрофическими являются горные удары. Горные удары нарушают нормальное функционирование предприятий, создают опасность для работающих, ведут к дополнительным затратам на восстановление разрушенных выработок. Рассматривая проблему горных ударов в целом, можно отметить, что затраты на предупреждение горных ударов на рудниках, сегодня составляют в удельном весе всех затрат на 1 т руды от 10 до 30%.

Одним из главных концентраторов напряжений являются горные выработки, особенно те, которые попадают в зону ведения очистных работ — это подготовительные и нарезные. На устойчивость данных выработок оказывает влияние, так называемое, вторичное поле напряжений, возникающее при образовании выработанного пространства, при разработке наклоннопадающих рудных месторождений.

Эффективной мерой снижения степени удароопасности в горной выработке является перечень мероприятий, предусмотренных «Инструкцией по безопасному ведению горных работ на рудных и нерудных месторождениях, объектах строительства, подземных сооружений, склонных и опасных по горным ударам». (РД06−329−99) Госгортехнадзор РФ, НТЦ «Промышленная безопасность», 2002 г. Дополнительно к этому документу могут быть разработаны меры, базирующиеся на знании закономерностей формирования напряжений в выработке с учетом влияния очистных работ и управлении выбором параметров крепи и временем ее установки. На выполнение данного комплекса работ и разработку мероприятий по обеспечению устойчивости выработок в процессе строительства и эксплуатации направлена данная диссертационная работа.

В основу диссертации положены результаты научно-исследовательских хоздоговорных работ, выполненных Институтом горного дела УроРАН с участием автора и практики проектирования горнорудных предприятий институтом Уралгипроруда.

Объект исследований — массив горных пород вокруг подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений.

Предмет исследований — закономерности распределения напряжений в массиве пород вокруг подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений.

Цель работы — исследование закономерностей формирования напряжений в массиве пород вокруг выработок и их сопряжений для обеспечения их устойчивости в процессе эксплуатации.

Основная идея работы заключается в том, что при расчёте параметров напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок и выборе крепи для их поддержания учитывается вторичное поле напряжений, вызванное образованием выработанного пространства, на основе закономерностей упругого деформирования массива при действии тектонического и гравитационного полей напряжений.

Задачи исследований для достижения поставленной цели:

1. Установить закономерности формирования вторичного поля напряжений вокруг выработанного пространства по простиранию и вкрест простирания рудного тела.

2. Установить закономерности распределения напряжений вокруг сопряжений горных выработок в тектоническом поле напряжений.

3. Разработать методы оценки устойчивости горных выработок и сопряжений в удароопасных условиях.

— 54. Разработать технические мероприятия по управлению напряженно-деформированным состоянием массива пород вокруг выработки и выбору вида и параметров крепи в удароопасных условиях.

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

Методы исследований. В работе применен комплекс методов исследований, включающий: научный анализ, обобщение результатов ведущих исследований и практики эксплуатации рудных месторождений, математическое моделирование напряженно-деформированного состояния массива пород и выработок, промышленные эксперименты.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Величина вторичного поля горизонтальных напряжений вблизи контура рудного массива и в породах лежачего бока в два раза превышает первоначальные горизонтальные напряжения в нетронутом массиве и на расстоянии 0,3Z и 0,4L от пролета выработанного пространства (соответственно, в породах лежачего бока и в рудном массиве) снижается до уровня первоначальных. Вертикальные напряжения в рудном массиве и породах лежачего бока при любом размере выработанного пространства остаются равным весу пород (JH).

2. Максимальный уровень концентрации напряжений в кровле типовых сопряжений достигает 3,8 от первоначальных горизонтальных напряжений в месте перехода на две сопрягающиеся выработки. Целик между двумя сопрягающимися выработками находится в состоянии одноосного сжатия по вертикали, и вертикальное давление достигает двойной величины уН при одновременном оконтури-вании целика с двух сторон.

3. Параметры крепи для поддержания выработок и их сопряжений в удароопасных условиях зависят от величины зоны концентрации напряжений вокруг контура выработки, вызванной вторичным полем напряжений в рудном массиве и породах лежачего бока. Для обеспечения устойчивости выработок максимальные напряжения на контуре выработки или сопряжения, в кровле и боках, должны быть меньше 0,7 предела прочности упрочненного массива.

Научная новизна исследований состоит в:

— установлении зависимостей формирования вторичного поля напряжений по простиранию рудного тела и в породах лежачего бока в зависимости от пролета выработанного пространства и первоначального поля напряжений- - выявлении решением трехмерных задач закономерностей распределения напряжений на контуре сопряжения горных выработок в тектоническом поле напряжений в массиве пород.

Практическая значимость работы состоит в:

— разработке методики оценки устойчивости горных выработок и сопряжений, позволяющая на стадии проектирования установить параметры крепи в удароопасных условиях;

— разработке технических мероприятий по снижению напряжений в массиве пород вокруг выработок и крепи в процессе проходки и эксплуатации, которые могут быть использованы на стадии проектирования.

Реализация результатов работы. Разработана «Инструкция по креплению горизонтальных выработок и их сопряжений в удароопасных условиях на шахтах Высокогорского ГОКа». В проекты вскрытия новых горизонтов шахты «Южная» Гороблагодатского рудоуправления (гор.-320 м) и шахты Естюнинская Высокогорского комбината (гор.-240 м) заложена эллипсовидная форма сопряжений подготовительных выработок.

Личный вклад автора состоит в:

— в постановке задач, их решении и формулировке рабочих гипотез;

— формулировке и обосновании научных положений;

— 7- установлении закономерностей формирования вторичного поля напряжений в зоне влияния очистных работ;

— разработке методов оценки устойчивости выработок и выборе параметров крепи в удароопасных условиях.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных конференциях «Геомеханика в горном деле» — в 2000; 2002 гг., региональной конференции «Проблемы и перспективы подземного строительства на Урале в XXI веке» (16−18 мая 2001 г., г. Екатеринбург), на семинаре по геомеханике горных пород в Институте горного дела УрО РАН в.

1999, 2000 гг., на научно-технических советах Гороблагодатского РУ й.

Высокогорского комбината.

Достоверность научных положений диссертационных исследований обеспечивается представительным объемом анализируемой информации о фактическом состоянии подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений в удароопасных условияхустановленные расчетные зависимости подтверждены промышленным экспериментом и моделированием, а также результатами, полученными другими исследователями.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных трудах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 128 страницах, включая 33 рисунка, 18 таблиц, список литературы из 72 наименований, 12 приложений.

Выводы.

1. Разработана методика оценки устойчивости выработок и их сопряжений в зоне влияния очистных работ, с учетом вторичного поля напряжений.

2. Разработаны мероприятия по снижению напряжений на контуре выработок и сопряжений за счет изменения формы поперечного сечения. При этом можно снизить напряжения в 1,4 раза. Предложен порядок проходки сопряжений под эстрым (15°- 50°) углом, позволяющий снизить взаимное влияние сопрягающихся выработок и напряжений в целике в удароопасных условиях.

— 107-Заключение N.

Диссертационная работа является научным трудом, в котором разработаны методические положения по обеспечению устойчивости подготовительных, нарезных выработок в удароопасных условиях при подземной разработке рудных наклоннопадающих месторождений системами с обрушением, они включают технические мероприятия по снижению напряжений на контуре выработок на стадии проектирования и проходки, установление закономерностей формирования вторичного поля напряжений в рудном массиве и породах лежачего бока, оценку устойчивости выработок и их сопряжений в удароопасных условиях с учетом параметров вторичного поля напряжений и разработку методики выбора крепи, их совокупность можно квалифицировать как решение важной задачи геомеханики.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

Г. Обоснованы параметры геомеханической модели для определения параметров вторичного поля напряжений в рудном массиве и породах лежачего бока наклоннопадающих рудных месторождений, позволяющие оценить степень устойчивости подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений в удароопасных условиях.

2. Определены закономерности формирования параметров вторичного поля напряжений вокруг выработанного пространства, которые-зависят от первоначального напряженного состояния месторождения, угла наклона рудной залежи и размеров выработанного пространства. Максимальные величины вторичных напряжений на контуре рудного тела могут достигнуть 6 JH.

Установлены аналитические зависимости величины параметров вторичного поля напряжений в рудном массиве и породах лежачего бока от величины выработанного пространства на горизонте.

3. Установлено, что по простиранию рудной залежи при различных углах падения и уровне первоначального напряженного состояния массива пород параметры вторичного поля напряжений сохраняются на уровне первоначальных на расстоянии 0,4Z и в породах лежачего бока 0,3L от контура рудного тела (L — пролет выработанного пространства на горизонте).

4. Подготовительные, нарезные выработки и их сопряжения испытывают различное по величине воздействие вторичного поля напряжений в зависимости от их расположения. Поэтому оценку устойчивости и расчет параметров крепи необходимо производить с учетом параметров вторичного поля напряжений.

5. Разработана методика оценки состояния устойчивости подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений в удароопасных условиях в зависимости от геометрических размеров выработки.

6. Исследованиями на объемных моделях характера распределения напряжений вокруг сопряжений горных выработок в тектоническом поле напряжений установлено, что наиболее подвержены возможности возникновения горных ударов при проходке и эксплуатации сопряжения выработок под острым углом (15° -50°).

Предложены мероприятия по снижению напряжений на контуре сопряжений в 1,4 раза и порядок их проходки, исключающий возможность возникновения горного удара.

7. Определен порядок выбора крепи подготовительных, нарезных выработок и их сопряжений и перечень мероприятий по снижению напряжений на период проходки, позволяющий обеспечить устойчивость выработок в удароопасных условиях.