Размещено на http://www.allbest.ru/

Специальность: 25.00.20 - "Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Обоснование геомеханических параметров безопасной отработки рудных удароопасных месторождений

Синкевич Николай Иванович

Новокузнецк 2009

Работа выполнена в "ОАО" Восточный научно-исследовательский горнорудный институт ("ОАО" ВостНИГРИ), Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Сибирский государственный индустриальный университет" (ГОУ СибГИУ).

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Фрянов Виктор Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Барях Александр Абрамович

доктор технических наук Зубков Альберт Васильевич

доктор технических наук, профессор Соловьев Владимир Вячеславович

Ведущая организация - Уральский государственный горный университет

Защита диссертации состоится " 27 " октября 2009 г., в 14:00 час. на заседании диссертационного совета Д. 004.010.01 в Институте горного дела УрО РАН по адресу: 620219, Екатеринбург, ГСП - 936 ул. Мамина-Сибиряка, 58.

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

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор Аленичев В.М.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Для удовлетворения постоянно растущих потребностей рынка сырьевых ресурсов в количестве и качестве природного горнорудного сырья необходимо дальнейшее совершенствование технологии разработки рудных месторождений, в том числе с весьма сложными горно-геологическими и горнотехническими условиями эксплуатации рудников (глубина более 600м, геологические нарушения, повышенное неравномерное тектоническое напряженно-деформированное состояние горного массива). Техногенное воздействие на рудные тела в этих условиях является причиной следующих негативных явлений: разрушений подготовительных горных выработок, геодинамической активности в форме горных ударов, землетрясений при массовых взрывах (рудники Колар в Индии, Витватерсранда - Южная Африка, Восточные Альпы, Австрия и месторождения Северного Урала, Хибин, Горной Шории и Хакасии).

Однако результаты научно-исследовательских работ предшественников и нормативных документов не в полной мере обеспечивают геомеханическое обоснование безопасной подземной разработки месторождений полезных ископаемых в сложных условиях.

Основным направлением работы рудников в указанных сложных условиях при существующих и новых технологиях нужно обоснование геомеханических параметров отработки, адаптированных к сложным горно-геологическим и горнотехническим условиям и обеспечивающих промышленную безопасность, снижение затрат на добычу полезного ископаемого подземным способом, особенно на рудных удароопасных месторождениях в горно-складчатых областях. Создание безопасной отработки возможно на базе закономерностей взаимодействия технологических, геомеханических и организационных процессов. Однако научные исследования по выявлению новых закономерностей, необходимых для обоснования геомеханических параметров безопасной отработки удароопасных месторождений, в настоящее время остаются мало известными. рудный месторождение геологический

Поэтому совокупность технологических решений по обоснованию геомеханических параметров взаимодействия технологических и геодинамических процессов для создания безопасной отработки рудных удароопасных месторождений в сложных природных условиях, имеет важное значение для горнорудной промышленности.

Целью работы является геомеханическое обеспечение безопасной отработки рудных удароопасных месторождений посредством направленного изменения параметров вторичного пространственного напряженно-деформированного состояния горного массива.

Основная идея работы заключается в использовании установленных закономерностей формирования геомеханических параметров в зависимости технологических процессов с учетом вторичного полного тензора напряжений и деформаций, возникающих под влиянием системы горных выработок, первичных тектонических и гравитационных сил.

Задачи исследований:

- установить зависимость изменения параметров вторичного напряженно-деформированного состояния на периферии геологических блоков, в зонах разрывных нарушений и пересечения рудной залежи интрузией при разной глубине разработки;

- установить зависимости предела прочности пород от глубины разработки в зонах влияния горных выработок при отработке рудных месторождений полезных ископаемых на участках вторичных напряжений неактивных и динамически активных магматических массивов;

- выявить закономерности распределения коэффициентов удароопасности горных пород на разных глубинах месторождения при сплошной выемке рудного тела по простиранию;

- разработать методику количественного прогнозирования по вторичным параметрам геомеханических процессов в массивах горных пород при отступающем порядке отработки рудных залежей;

- разработать классификацию неоднородных пород массива по динамической удароопасности и типу месторождения для обоснования геомеханических параметров безопасной отработки рудных удароопасных месторождений;

Методы исследования включают:

- теоретическое обобщение и научный анализ отечественного и зарубежного опытов разработки месторождений полезных ископаемых в динамически активных районах, обработку результатов методами математической статистики и корреляционного анализа с использованием ЭВМ;

- лабораторные исследования прочностных, деформационных характеристик, хрупкости по степени удароопасности, пластичности горных пород;

- натурные эксперименты для установления параметров вторичного напряженно-деформированного состояния горных пород при вскрытии вертикальными стволами методом частичной разгрузки на большой базе, отрабатываемого рудного и породного массивов при подготовке очистных блоков и выемке с помощью методов щелевой разгрузки и полной по схеме Лимана в варианте УК-"Тензор";

- измерение параметров вторичного поля напряжений и изучение характера сдвижения толщи горных пород вокруг выработок, и деформаций их контуров при добыче полезных ископаемых, строительстве и эксплуатации сооружений с помощью наблюдательных станций контурных и глубинных реперов;

- измерение давления на крепь со стороны вмещающих пород и реакции крепи с использованием тензометрических платформ закладочного типа.

Основные научные положения, защищаемые автором:

- в пределах рудного тела и на контакте залежи и боковых пород направления вторичных максимальных горизонтальных напряжений сжатия в неоднородном массиве железорудных месторождений совпадают с первичными тектоническими и гравитациионными силами, а при наличии в рудном теле разрывных нарушений направление этих напряжений совпадает с простиранием сместителя.

- коэффициенты запаса прочности горных пород в интервале 200 ч 1200 м глубин залегания рудных месторождений, определяемые отношением разности вторичных предельных и усредненных значений нормальных напряжений к максимальному касательному напряжению, на участках неактивных по динамическим событиям убывают, а на динамически активных - возрастают за счет минерального и химического состава пород магматических массивов, обеспечивающих зонирование видов горных работ посредством разведения во времени и пространстве.

- коэффициенты удароопасности в краевой части залежи при разработке месторождения сплошной выемкой определяются по соотношениям минимальных и максимальных прогнозных значений: увеличиваются до 0,85 на динамически опасных участках и уменьшаются до 0,70 на неопасных с периодом цикличности около 140 м по глубине.

- методика количественного прогнозирования напряжений сжатия в пределах -32,4ч-113,4 МПа и деформаций растяжения 0,0002ч0,0008 в массивах горных пород, обеспечивает прогноз геомеханических параметров безопасного ведения горных работ в этажах при отступающем порядке выемки руды и базируется на закономерностях распределения коэффициентов хрупкости, пластичности, удароопасности и вторичных техногенных напряжений при разной площади отработанных блоков.

- классификация неоднородных пород массива основанна на следующих многоуровневых классификационных признаках: по динамической удароопасности породы подразделяются на два класса: упруго-пластического и упруго-хрупкого разрушения; по напряженному состоянию силовых полей - на три группы: тектонические, гравитационные (первичные) поля и техногенные (вторичные); по удароопасности при разрушении - на шесть категорий: слабо удароопасные, умеренно удароопасные, средне удароопасные, удароопасные, очень удароопасные, весьма удароопасные; по внешним признакам форм проявления горного давления, обеспечивает количественное прогнозирование динамических проявлений от свойств горных пород.

Достоверность научных положений подтверждается:

- применением современных методов: щелевой, частичной разгрузок на большой базе и полной по схеме Лимана в варианте УК-"Тензор", натурных наблюдений: станций контурных, глубинных реперов и тензометрических платформ закладочного типа и обработкой экспериментальных данных с получением эмпирических зависимостей, обеспечивающих точность измерений;

- результатами лабораторных испытаний (более 5 тыс.), проведенными при изучении физико-механических свойств основных типов горных пород и оценкой их удароопасности с помощью прибора УМГП-3 (на 5 рудниках и 32 горизонтах);

- удовлетворительной сходимостью (до 85%) расчета и результатов инструментальных и шахтных измерений в сложных условиях при техническом процессе работ;

- положительными результатами реализации монолитной бетонной крепи с податливыми (из шлакоблоков и керамзита) и жесткими (рабочей и распределительной арматуры диаметрами 16 и 32 мм) элементами в ее конструкции для технологических решений и геомеханического обоснования безопасной эксплуатации стволов на месторождениях Горной Шории и Хакасии.

Научная новизна работы и ее отличие от работ предшественников заключается в:

- выявленном диапазоне величин и азимутов осей вторичных главных нормальных напряжений по простиранию - умах и вкрест простирания рудных тел - умin в зоне влияния одиночного вертикального ствола на периферии геологических блоков, в зонах геологических нарушений и пересечения рудной залежи интрузией: умах= - 5,8гН ± 1,9 гН МПа - СВ (А=24 ±15 °); умin= - 3,9 гН ± 1,6 гН МПа - ЮВ (А=114 ±15 °, где г - плотность вышележащих пород, н/м 3, Н - глубина залегания пород, м;), отличающихся от ранее обоснованного проф. Б.В. Шреппом тем, что в геомеханическом поле преобладает максимальная по величине тензора напряжений, которая ориентирована по азимуту линии падения 24-39є и имеет угол падения 15є на север относительно вертикали, а минимальная - субширотная компонента горизонтальных напряжений ориентирована по линии простирания А=114-129є и имеет угол падения 15є на северо-запад относительно горизонта, и соответствует массе налегающих пород - гН, а диапазон наклона двух компонент горизонтальных напряжений составляет 1,6ч1,9 гН;

- установлении полиномиальной зависимости отношения разности предельных и усредненных значений нормальных напряжений к максимальному касательному напряжению с глубиной разработки ведения горных работ на участках вторичных напряжений неактивных и динамически активных магматических массивов;

- доказательстве волнообразного характера изменения коэффициентов удароопасности пород в зависимости от их хрупкости, пластичности и петрографического состава минералов при сплошной выемке по простиранию рудного тела;

- установленном росте коэффициентов концентрации вторичных горизонтальных нормальных напряжений в целиках при отступающем порядке отработки рудных залежей с учетом глубины разработки;

- разработке классификации массивов неоднородных пород по динамической удароопасности в широком диапазоне (К 1=0,71ч1,0; К 2=0,03ч0,32; Кпл=1,0ч1,29) и типу месторождений для обоснования безопасной отработки;

Личный вклад автора состоит в:

- обобщении исходной геомеханической и горно-геологической информации об удароопасных рудных месторождениях Сибири;

- исследовании процессов разрушения горных пород, основанных на хрупкости и пластичности, для управления геомеханическими процессами при безопасной отработке;

- анализе и обобщении лабораторных испытаний физико-механических свойств изверженных пород и оценке их удароопасности;

- разработке методики количественного прогнозирования коэффициентов концентрации вторичных горизонтальных напряжений в породах и рудных залежах целиков при отступающем порядке отработки с учетом глубины разработки;

- установлении параметров вторичного напряженно-деформированного состояния массива вне и в зоне влияния очистных работ с учетом воздействия геодинамических процессов на месторождениях Горной Шории и Хакасии на периферии геологических блоков, в зонах геологических нарушений и пересечения рудной залежи интрузией;

- выявлении основных закономерностей изменения вторичных напряжений в массиве горных пород при отработке крутопадающих месторождений с глубиной разработки;

- установлении закономерностей волнообразного характера изменения коэффициента удароопасности пород в зависимости от спектра критериев их хрупкости, пластичности и петрографического состава массива месторождения при сплошной выемке по простиранию;

- разработке классификации коэффициентов хрупкости и пластичности по динамической удароопасности на разных месторождениях Сибири для обоснования безопасной отработки;

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты позволяют:

- развивать методы и средства определения и контроля вторичных напряжений и деформаций в горных породах;

- разрабатывать методические рекомендации по предупреждению динамических явлений горно-тектонического типа на железорудных месторождениях Сибири;

- разрабатывать временное руководство по сооружению вертикальных стволов при повышенном горном давлении и удароопасности на рудниках Сибири;

- внедрять мероприятия в техническое производство по безопасной отработке для удароопасных месторождений.

Реализация работы в промышленности. Результаты исследований и проектных разработок: "Исследование и обоснование конструктивных параметров крепи, армировки и условий безопасной проходки вертикальных стволов при повышенном горном давлении и удароопасности на рудниках Сибири", "Геомеханическое обоснование безопасной эксплуатации стволов и сооружений комплекса подземного дробления (КПД) на Абаканском руднике" доведены до практического использования и внедрены в практику проектирования, строительства и отработки рудных удароопасных место-рождений.

По заданию горнодобывающих предприятий при участии автора были подготовлены заключения и рекомендации по оценке удароопасности и прочности горных пород Абаканского, Краснокаменского, Таштагольского, Казского и Шерегешевского месторождений. Совокупность технологических решений: выбор оптимальной площади отработанных блоков в этажах при отступающем порядке выемки руды по зависимостям параметров блока от коэффициентов концентрации напряжений в блоках; на закономерностях деформирования стенок вертикального ствола и реализаций монолитных бетонных крепей с податливыми и жесткими элементами. Указанные зависимости и закономерности отражены в научных положениях, новизне, выводах и рекомендациях диссертации, экономический эффект от внедрения которых составил более 365 тыс. рублей.

Отдельные рекомендации об "Оценке напряженно-деформированного состояния массива горных пород и его удароопасности с увеличением глубины ведения горных работ" в исследованиях автора нашли отражения в геомеханических обоснованиях к регламентам на отработку глубоких горизонтов Таштагольского, Казского, Абаканского, Краснокаменского и Горно - Шорского филиалов ОАО "Евразруда" и использованы проектным институтом "ОАО" Сибгипроруда при составлении проектов отработки глубоких удароопасных горизонтов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и были одобрены на горной секции научно-технического совета ВостНИГРИ, техсоветах Таштагольского, Казского, Абаканского, Горно-Шорского филиалов ОАО "Евразруда", 3й Международной конференции "Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых" (Новокузнецк, 1998), Всероссийской научно-методической конференции "Проблемы качества высшего профессионального образования" (Рубцовск, 2000), 7й Международной научно-практической конференции "Перспективы развития горнодобывающей промышленности в 3 тысячелетии" (Новокузнецк, 2000), Международной научно-практической конференции "Современные перспективные технологии разработки и использования минеральных ресурсов" (Новокузнецк, 2001), 9й Международной конференции "Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов" (Новокузнецк, 2002), 8й Международной конференции "Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых" (Новокузнецк, 2003), 9й Международной конференции "Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых" (Новокузнецк, 2004), 10й Международной конференции "Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых" (Новокузнецк, 2005).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 34 печатных работах, из них 30 публикаций, 4 патента на изобретение, отражают основное содержание диссертации, в том числе в изданиях по рекомендациям ВАК - 28.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, изложенных на 340 страницах машинописного текста, 72 рисунков, 42 таблиц, заключения, списка литературы из 214 наименований и 6 приложений.

Автор выражает искреннюю признательность научному консультанту, научным сотрудникам ВостНИГРИ, СибГИУ, ИГД УрО РАН, и ИГД СО РАН и за ценные замечания при выполнении и обсуждении результатов исследований, а также работникам производства Таштагольского, Казского, Абаканского, Горно-Шорского филиалов ОАО "Евразруда" и службам прогноза и предотвращения горных ударов рудников за советы и помощь, оказанную при выполнении работы.

Краткая характеристика содержания работы

В первой главе дается краткий анализ горно-геологических особенностей отработки железорудных месторождений в динамически активных районах, обосновывается идея безопасной разработки удароопасных месторождений, формулируется цель работы и решаемые задачи.

Во второй - разработана методология обоснования геомеханических параметров отработки месторождений полезных ископаемых в условиях повышенной динамической активности.

В третьей - обобщены натурные исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород в сложных природных условиях.

В четвертой - установление закономерностей изменения параметров напряженно-деформированного состояния на рудниках Сибири.

В пятой - совершенствование способов прогноза напряженно-деформированного состояния и параметров безопасной отработки месторождений.

В шестой - обоснование геомеханических параметров безопасной отработки рудных месторождений.

В седьмой - рассмотрены вопросы управления горным давлением при разработке рудных удароопасных месторождений Сибири в сложных условиях.

Основное содержание работы

1. В пределах рудного тела и на контакте залежи и боковых пород направления вторичных максимальных горизонтальных напряжений сжатия в неоднородном массиве железорудных месторождений совпадают с первичными тектоническими и гравитационными силами, а при наличии в рудном теле разрывных нарушений направление этих напряжений совпадает с простиранием сместителя.

Горные работы с глубиной отработки 172, 265, 450, 590 и 710 м нарушают установившееся природное равновесие, породы деформируются по законам: туфоконгломераты в пределах упругости (интервал глубин Н=98 м - 0,0009Q0,0014), гранодиориты - за пределами упругости с появлением остаточных необратимых деформаций (Н=265 м - 0,0108Q0,0169; Н=590 м - 0,015Q0,032) в неоднородном гранитном массиве месторождения, который испытывает неравнокомпонентное силовое воздействие вторичных горизонтальных напряжений вкрест простирания sу = -10,7 Q-28,1 МПа и по простиранию sх =-13,6Q-32,9 МПа а направление максимальных горизонтальных напряжений сжатия контакта залежи и боковых пород в неоднородном массиве месторождения совпадает А=37? (рисунок 1).

Таким образом, к началу отработки следующего нижележащего этажа в краевой части массива при наличии в рудном теле разрывных нарушений, изменяются вторичные главные компоненты напряжений вкрест простирания sу=-10,3Q-25,0 МПа и простиранию sх=-93,9Q-124,0 МПа, угол, образуемый между меридианом и контактом падения, будет переменным А=24ч89?.

При взрывной выемке руды начинается трещинообразование пород, а деформации продолжают увеличиваться в направлении (СВ-ЮЗ), вторичных максимальных горизонтальных напряжений сжатия изменяются за счет выклинивания интрузии и разрывных нарушений на глубину разработки, что подтверждено инструментальными измерениями на различных этажах +505Q+425 и расстояний от границ выемочных блоков - 825 м, деформации составили =0,00018(СВЮЗ); +425Q+345 м - 915 м при =0,00052(ВЗ); +345Q+285 м - 950м при =0,00037(СВЮЗ); +285Q+225 м - 1100м при =0,00169(СЮ); +225Q+145м - 1130 м при =0,000658(СВЮЗ).

2. Коэффициенты запаса прочности горных пород в интервале 200 ч 1200 м глубин залегания рудных месторождений, определяемые отношением разности вторичных предельных и усредненных значений нормальных напряжений к максимальному касательному напряжению, на участках неактивных по динамическим событиям убывают, а на динамически активных - возрастают за счет минерального и химического состава пород магматических массивов, обеспечивающих зонирование видов горных работ посредством разведения во времени и пространстве.

В качестве исходных данных, чтобы оценить прочность твердых пород и определить показатели сопротивления пород сдвигу, а также характеристики влияния естественной структуры и вещественного состава, т.е. для определения коэффициента запаса прочности в практике исследований нагружения изготовленных образцов в лабораторных условиях производится в режиме одноосного сжатия (таблица 1).

Таблица 1 - Результаты экспериментальных исследований и определение зависимости коэффициента запаса прочности горных пород от глубины залегания по скважинам

№ скважины, глубина, м	Тип горной породы	Горизонтальные напряжения, МПа	Пределы прочности, МПа	Касательные напряже	Нормальные напряжения, у	Коэффициент запаса прочности
		По простиранию	вкр. простирания	На сжатие	На растяжение	Ния ф, МПа	предельны е	усредненные
603 430 510 603 750 800 900 1001 704 400 550 639 757 850 900 1058	Туф трахитового порфира Андезитовый порфирит Диоритовый порфирит Туф трахитового порфира - - Порфирит Порфирит - - - - - Габбро-порфирит	-17.8 -33.3 -62.5 -37.5 -63.6 -82.4 -290. -17.8 -33.3 -62.5 -37.5 -63.6 -82.4 -290.	-13.0 -15.0 -40.6 -19.1 -24.2 -37.0 -165. -13.0 -15.0 -40.6 -19.1 -24.2 -37.0 -165.	164 162 152 109 188 188 173 51.0 60.8 142 111 184 62.8 90.2	3.8 3.9 5.2 3.4 2.6 2.6 4.2 7.5 4.9 9.9 16.3 9.6 11.0 15.4	2.4 9.2 10.9 9.2 19.7 22.7 62.5 2.4 9.2 10.9 9.2 19.7 22.7 62.5	20.0 28.0 54.0 31.0 46.0 62.0 215.0 21.0 26.0 55.0 32.0 43.0 44.0 177.0	3.0 9.0 11.0 10.0 21.0 23.0 63.0 2.0 9.0 11.0 10.0 20.0 20.0 63.0	7.0 2.0 3.9 2.3 1.3 1.7 2.4 7.9 1.8 4.0 2.4 1.1 1.2 1.8
705 438 515 639 754 858 890 1177 607 248 558 590 759 792 1381 1586 614 399 462 725 739 790 618 618 702 805 930 1282 1960	Сланцы полеошпат серицит хлоритовые Агломератовый туффит Сланцы полеошпат хлоритовые Сланцы по алевролитам Сланцы по туфам Туффиты - Туффит Туф андезитового порфира - - Альбит андезитовый порфир Туффит Туфоалевролит Сиенит Туф трахитового порфира Сиенит - - - Туф средне основного состава - Сиенит андезит базальтового состава Порфирит плагиоклазовый Сиенит	-17.8 -33.3 -62.5 -37.5 -63.6 -82.4 -290 -17.8 -33.3 -62.5 -37.5 -63.6 -82.4 -290 -17.8 -33.3 -62.5 -37.5 -63.6 -62.5 -37.5 -63.6 -82.4 -290 -	-13.0 -15.0 -40.6 -19.1 -24.2 -37.0 -165 -13.0 -15.0 -40.6 -19.1 -24.2 -37.0 -165 -13.0 -15.0 -40.6 -19.1 -24.2 -40.6 -19.1 -24.2 -37.0 -165 -	41.2 57.8 32.4 58.8 93.1 59.8 54.9 63 128 237 31 73 137 136 147 109 147 156 82 63 37 64 80 166 235	10.2 4.0 3.6 2.2 5.3 11.8 8.1 2.6 6.0 8.2 5.2 5.2 5.8 6.4 10.1 6.3 9.5 10.3 6.9 6.3 6.0 6.2 9.6 12.0 17.2	2.4 9.2 10.9 9.2 19.7 22.7 62.5 2.4 9.2 10.9 9.2 19.7 22.7 62.5 2.4 9.2 10.9 9.2 19.7 10.9 9.2 19.7 22.7 62.5 62.5	18.0 25.0 45.0 29.0 44.0 52.0 177.0 18.0 28.0 54.0 21.0 44.0 62.0 216.0 17.0 24.0 54.0 31.0 43.0 45.0 23.0 41.0 54.0 164.0 201.0	2.5 10.0 11.0 9.0 20.0 23.0 64.0 2.0 9.0 13.0 13.0 20.0 24.0 65.0 2.0 9.0 12.0 9.0 20.0 11.0 9.0 20.0 23.0 65.0 64.0	6.4 1.6 3.1 2.1 1.2 1.3 1.8 6.7 2.0 3.7 0.9 1.2 1.6 2.4 6.3 1.6 3.8 2.4 1.2 3.1 1.5 1.0 1.3 1.5 2.1

На основе экспериментальных опытов как на прессе П - 125, так и на УМГП - 3 поведение горных пород магматических массивов под нагрузкой может быть в полной мере охарактеризовано резкой неоднородностью напряженного и деформированного состояний, описывается одной графической зависимостью "напряжения - деформация".

По данным таблицы 1 и рисунку 2 автором установлены изменения коэффициентов запаса прочности пород от глубины разработки на участках неактивных по динамическим событиям магматических массивов восходящая ветвь выполаживается за счет уменьшения модулей упругости, а в динамически активных - круто возрастает в допредельной зоне, в запредельной же ниспадающая ветвь увеличивается при возрастающих модулях спада, и получена корреляционная связь (см. рисунок 2).

n = 6 · 10-6 · Нз.п 2 - 0,0145 · Нз.п + 9,958, r = 0,716 (1)

где n - коэффициент запаса прочности горной породы;

Нз.п - глубина залегания пород, м.

3. Коэффициенты удароопасности в краевой части залежи при разработке месторождения сплошной выемкой определяются по соотношениям минимальных и максимальных прогнозных значений: увеличиваются до 0,85 на динамически опасных участках и уменьшаются до 0,70 на неопасных с периодом цикличности около 140 м по глубине.

Склонность полезных ископаемых и пород к деформированию и разрушению как в допредельных, так и запредельных зонах показывает, что деформационные процессы в массиве характеризуются большим разнообразием вторичных напряженных состояний, при которых возможно хрупкое разрушение этих пород, руд и определяются коэффициентами удароопасности (таблица 2).

Таблица 2 - Результаты испытаний образцов основных пород на удароопасность и пластичность по скважинам N607, №614, №618, №704 и №705 Таштагольского месторождения

Тип горной породы	Коэф. пласт. Кпл	Коэффициенты удароопасности	Примечание
		К 1	К 2
Сиенит Сиенит-порфир Сиенит андезитбазальтового состава Туфы Туфолава Туф андезитового порфирита Туф смешанного сост. Туф трахититового порфирита Туфоалевролит Туффит Туффит агломератовый Туффиты трахитовые Порфирит Диоритовый порфирит Габбро-порфирит Порфирит плагиоклаз Альбит андезитовый порфирит Сланцы серицит-полевошпатовые Сланцы полевошпат серицит хлоритовые Сланцы по алевролитам Сланцы по туфам Известняк Скарны Магнетитовая руда	1.36 1.07 1.09 1.07 1.05 1.11 1.14 1.21 1.17 1.28 1.05 1.18 1.23 1.22 1.05 1.07 1.21 1.01 1.09 1.01 1.08 1.12 1.22 1.15	0.70 0.93 0.92 0.94 0.96 0.90 0.87 0.82 0.86 0.79 0.96 0.87 0.85 0.82 0.95 0.93 0.83 0.99 0.92 0.99 0.93 0.90 0.83 0.87	0.22 0.17 0.21 0.10 0.08 0.14 0.21 0.34 0.28 0.22 0.08 0.11 0.21 0.18 0.18 0.22 0.18 0.24 0.05 0.05 0.08 0.08 0.21 0.12	К 1>0.7 К 2<1.0 удароопасные К 1<0.7 К 2>1.0 не удароопасные

Как видно из таблицы 2, все породы и полезное ископаемое, которые находятся в створах будущих стволов "Шория-1", "Ново-Клетевой" и геологоразведочных скважинах №607, №614, №618, №704 и №705, можно отнести к категории "удароопасные", поскольку у руды и всех типов пород коэффициенты удароопасности с глубиной отработки месторождения сплошной выемкой по простиранию увеличиваются до 0,85 по мере развития очистных работ в этаже, за счет распределения динамически опасных зон и чередуемости неопасных - уменьшаются до 0,70.

Индивидуальное влияние указанных и приведенных факторов с началом развития очистных работ в этаже изменяется и перемещается на массив вновь вводимого в эксплуатацию нижележащего этажа и описывается линейной функцией (рисунок 3).

В точках, где эти коэффициенты близки к предельному, тоже могут возникнуть горные удары, что позволило установить корреляционную связь между предельными коэффициентами удароопасности в допредельной зоне разрушения и пластичностью.

К 1 = - 0,7654 Кпл +1,7575, r = 0,976 (2)

где К 1- коэффициент удароопасности в допредельной зоне разрушения;

Кпл - коэффициент пластичности пород.

4. Методика количественного прогнозирования напряжений сжатия в пределах -32,4ч-113,4 МПа и деформаций растяжения 0,0002ч0,0008 в массивах горных пород, обеспечивает прогноз геомеханических параметров безопасного ведения горных работ в этажах при отступающем порядке выемки руды и базируется на закономерностях распределения коэффициентов хрупкости, пластичности, удароопасности и вторичных техногенных напряжений при разной площади отработанных блоков.

Под действием неравномерной нагрузки опорный блок-целик на участке "Главный" деформируется (рисунок 4).

Характеристиками деформируемости являются кривые зависимости распределения сдвижений по нормали к рудному телу и параллельно ширине по простиранию блока-целика. Изменения нагрузки в лежачем и висячем боках охватывают почти всю зону опорного давления, как это видно из данных

Рисунок 5 - Графики зависимости приращения вторичных горизонтальных напряжений вкрест и по простиранию рудных тел от глубины, по мере развития подготовительно-нарезных и очистных работ в этажах +395+325 м, +325+255 м, +255+185 м на участке "Главный" методом щелевой разгрузки (за 13 лет исследований)

По результатам исследования автором установлено, что разработанная методика количественного прогнозирования параметров базируется на закономерностях взаимодействия геомеханических и техногенных процессов в массивах горных пород, и получены корреляционные связи между изменением напряженно-деформированного состояния на различных глубинах и стадиях отработки опорного блока-целика (от подготовки, нарезки буровых и подсечных выработок до очистного пространства, равного мощности рудного тела) одновременно на четырёх горизонтах по простиранию:

sу = 0,0022Н пр.э 2 - 1,7147Нпр.э + 366,78, r = 0,600 (3)

где sу - горизонтальные напряжения по простиранию рудных тел, МПа;

Нпр.э - глубина проведения экспериментальных работ, м.

и вкрест простирания рудной залежи:

sх = 0,0005 Нпр.э 2 - 0,5094 Нпр.э + 147,02, r = 0,763 (4)

где sх- горизонтальные напряжения вкрест простирания рудных тел, МПа.

5. Классификация неоднородных пород массива основанна на следующих многоуровневых классификационных признаках: по динамической удароопасности породы подразделяются на два класса: упруго-пластического и упруго-хрупкого разрушения; по напряженному состоянию силовых полей - на три группы: тектонические, гравитационные (первичные) поля и техногенные (вторичные); по удароопасности при разрушении - на шесть категорий: слабо удароопасные, умеренно удароопасные, средне удароопасные, удароопасные, очень удароопасные, весьма удароопасные; по внешним признакам форм проявления горного давления, обеспечивает количественное прогнозирование динамических проявлений от свойств горных пород.

Ранее лабораторией динамической прочности и высоких давлений ВНИМИ под руководством А.Н. Ставрогина проводились исследования пород и руд по их удароопасности. Автор, продолжая исследования о проявлении горного давления в регионах Горной Шории и Хакасии, основываясь на достоверности сейсмологической службы рудника о динамических проявлениях, происходящих в массивах, и лабораторных результатах (испытания образцов пород и руд по удароопасности и пластичности), при сопоставлении их с натурными условиями и уточнении типов пород, разработал классификацию динамической удароопасности (таблица 3).

Таблица 3 - Разделение горных пород по упругим свойствам и классу горных ударов

Класс горного удара	Модуль упругости пород Е • 104, МПа	Тип неоднородных горных пород
Микроудары (стреляние, толчки)	< 3	1. Туффиты агломератовые 2. Известняки
Слабые	3 ч 5	3. Сланцы полеошпат-серицит хлоритовые 4. Альбит-андезитовые порфириты
Средние	5 ч 7	5. Туффиты трахитовые 6. Туфы андезитового порфирита 7. Сланцы по алевролитам 8. Сланцы по туфам 9. Туфы трахитового порфирита 10. Сиенит-порфиры 11. Сланцы серицит полеошпатовые 12. Туфы
Сильные	7 ч 9	13. Сиениты андезит базальтового состава 14. Туфолавы 15. Габбро- порфириты 16. Туффиты 17. Туфоалевролиты 18. Порфириты 19. Диоритовые порфириты 20. Порфириты плагиоклазовые
Катастрофические	> 9	21. Сиениты 22. Туфы смешанного состава

Все горные породы делятся на два класса, признаками упруго-пластического и упруго-хрупкого разрушений обладают: 1, 2, 3 группы и 1, 2, 3, 4, 5, 6 категории. Класс события определяется по механизму динамики пород и признаку их удароопасности, группы - по напряженному состоянию силовых полей: тектонические, гравитационные (первичные) поля и техногенные (вторичные); а категория - по результатам последствий разрушений в горных выработках (рисунок 6).

Предлагаемая классификация массива неоднородных пород позволяет обеспечить достоверность оценки геодинамической обстановки на различных типах месторождений, повышает уровень прогнозирования проявления горного давления и форм горных ударов, и управления динамическим механизмом возникновения удароопасности в горных породах.



Заключение

В диссертации на основе выполненного комплекса исследований решена научная проблема обоснования геомеханических параметров безопасной отработки рудных удароопасных месторождений, основанная на выявленных закономерностях по разработке методики количественного прогнозирования геомеханических процессов в массивах, изменении напряженно-деформированного состояния на периферии геологических блоков и в зонах разрывных нарушений, выявленных новых закономерностях распределения коэффициентов удароопасности на разных глубинах месторождения и изменении пределов прочности пород, имеющая важное народнохозяйственное значение в горнорудной промышленности.

Основные выводы, конкретные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана и внедрена методика количественного прогнозирования параметров геомеханических процессов в горных породах, на основании которой установлено, что при отступающем порядке отработки рудных залежей месторождения вторичное напряженно-деформированное состояние участка массива в пределах целика находится под воздействием знакопеременных деформаций в силу сложности его пространственной конфигурации. В условиях естественного залегания целика магнетитовой руды проявляется область объемного сжатия в интервале 45-30 м, а деформации знакопеременного характера возникают в краевых частях и на границе тектонических нарушений (зон) висячий бок - от 15 до 60 м в глубь рудной залежи (при R01R1=-2,0 мм; R01R2=-1,3 мм; R01R3=-1,7 мм; R01R4=0,6 мм и R02R1=-1,6 мм; R02R2=-0,7 мм; R02R3=-1,0 мм; R02R4=1,3 мм.

Такой ход описываемой кривой по своей геомеханической сущности может быть объяснен характером деформационных процессов, происходящих во вторичном напряженном массиве целика, в котором нарушено равновесное состояние.

На участке роста (15-30м) смещений скорость деформаций разгрузки опережает скорость деформаций пригрузки, обусловленной действием первичных тектонических сил сжатия, то есть на данном участке идет процесс разуплотнения пород.

На участке спада (30-45м) скорость деформаций пригрузки опережает разгрузку массива, а на участке (45-60м) происходит процесс накопления энергии упругих деформаций, что может привести к появлению динамических проявлений горного давления.

2. Установлена закономерность изменения вторичного напряженно-деформированного состояния горного массива на периферии геологических блоков, в зонах разрывных нарушений и пересечения рудной залежи интрузией при разной глубине разработки за счет пород, обладающих разными упругими и прочностными свойствами. Упругие и прочностные свойства пород изменялись в обратно пропорциональной зависимости, с поверхности и до глубины 590м туфоконгломераты, гранодиориты и граниты, у которых модуль упругости снижался с 4,06 до 1,72·104 МПа, а предел прочности на сжатие увеличивался с 61,8 до 132,0 МПа, далее породы видоизменились на глубине 710м плагиогранитами, у которых модуль упругости возрос до 4,30·104 МПа, а предел прочности снизился до 66,1 МПа, что характерно для интрузивных комплексов вблизи проходящих Девонского и Кенийского разломов.

3. Установлены следующие закономерности изменения предела прочности пород от глубины в зонах влияния горных выработок при отработке рудных месторождений полезных ископаемых на участках вторичных напряжений неактивных и динамически активных магматических массивов: в прямо пропорциональной зависимости от пересечения одних пород другими, и возникновения в области пересечений динамических проявлений под влиянием технологических процессов и первичных напряжений в массиве, нормальных и касательных. В строении месторождения принимают участие гранитоидные интрузии с породами эффузивно-осадочной толщи и габбро-сиенитовый комплекс, который с понижением ведения горных работ начинает терять свое равновесное состояние:

- в интервалах глубин 440, 550 570, 860 960м при пересечении сланцев полеошпат серицит хлоритовых sсж=41,2 МПа, агломератовых туффитов sсж=57,8 МПа и туффитов sсж=54,9 МПа низкой прочности с порфиритами sсж=56,9 ± 5,9 МПа ниже средней прочности, возникают стреляния;

- в диапазонах глубин 630 и 800 - 900м туфы среднеосновного состава sсж=37,0 МПа, сиениты андезит базальтового состава sсж=64,0 МПа средней прочности со сланцами полеошпат хлоритовыми sсж=32,4 МПа, туффитами sсж=59,8 МПа - низкой прочности, происходят толчки;

- в пределах интервалов глубин 500 640 и 700 ч 900м при взаимодействии сиенитов sсж = 109,0 МПа, туфов андезитового порфира sсж = 128,0 МПа, порфиритов sсж = 142,0 МПа, диоритовых порфиритов sсж = 152,0 МПа средней прочности, наблюдаются микроудары;

- а в диапазоне глубин 600 ч 850м в сиенитах sсж=156,0 МПа, порфиритах sсж=184,0 МПа, туфах трахитового порфира sсж=188,0 МПа и туфах андезитового порфира sсж=237,0 МПа высокой прочности со сланцами по туфам sсж=93,1 МПа средней и высокой прочности - горные удары.

4. Установлена закономерность распределения коэффициентов удароопасности горных пород: в интервале глубин 290, 430 и 460 м месторождения при отработке сплошной выемкой по простиранию рудного тела происходят изменения пластичности под воздействием геодинамических процессов протекающих в крепких массивах с включением интрузий. При достижении коэффициентами удароопасности и пластичности предельного удароопасного значения, равного 1,0, происходит процесс мгновенного разрушения пород всех разновидностей и руд по петрографическому составу и происхождению, залегающих в массиве. Породы ранжируются по зернистости и степени раскристаллизованности ячеистой структуры следующим образом: порфириты и туфы трахитового порфира при К 1=1,0, Кпл=1,0; сланцы серицит полеошпатовые и по алевролитам К 1=0,99, Кпл=1,01; туффит агломератовый, туфолава К 1=0,96, Кпл=1,05; габбро-порфириты К 1=0,95, Кпл=1,05; туфы К 1=0,94, Кпл=1,07; сиенит-порфир, порфирит плагиоклазовый и сланцы по туфам К 1=0,93, Кпл=1,07; сиениты андезит базальтового состава, сланцы полеошпат серицит хлоритовые при К 1=0,92, Кпл=1,09.

5. Разработана и предложена классификация пород неоднородного массива по динамической удароопасности месторождений, в основу которой положены расчетные величины механических свойств пород и показатели их удароопасности. Установленный методом математической статистики расчет ширины интервала для ряда значений дает 0,05, а интервальный ряд, построенный с учетом полученной ширины интервала, разбит на 6 категорий по возрастающей: слабо удароопасные при К 1=0,71 ч 0,75, К 2=0,28 ч 0,32, Кпл=1,25 ч 1,29; умеренно удароопасные - К 1=0,76 ч 0,80, К 2=0,23 ч 0,27, Кпл=1,20 ч 1,24; средне удароопасные - К 1=0,81 ч 0,85, К 2=0,18 ч 0,22, Кпл=1,15 ч 1,19; удароопасные -К 1=0,86 ч 0,90, К 2=0,13 ч 0,17, Кпл=1,10 ч 1,14; очень удароопасные - К 1=0,91 ч 0,95, К 2=0,08 ч 0,12, Кпл=1,05 ч 1,09; весьма удароопасные - К 1=0,96 ч 1,0, К 2=0,03 ч 0,07, Кпл=1,0 ч 1,04; с требуемой надежностью не менее 90% и доступной относительной погрешностью не более 8 ч 8,1% - для пород месторождений Горной Шории, а Хакасии - при доверительной надежности не менее 95% и погрешности не более 2,0 ч 2,9%.

6. В сложных условиях отработки рудных удароопасных месторождений используется комплекс разработанных рекомендаций по обоснованию своевременного предотвращения динамических явлений и техногенных процессов, обеспечивающих промышленную безопасность при ведении подземных работ.

Полученные в диссертационной работе выводы и закономерности, применительно к рудным удароопасным месторождениям Сибири, в равной степени могут распространяться на другие рудные удароопасные месторождения руд России - Северного Урала, Хибин и за рубежом: рудники Колар в Индии, Витватерсранда - Южная Африка, Восточные Альпы и Австрия.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Синкевич Н.И. Изменение напряжённо-деформированного состояния и удароопасности массива скальных пород с учётом особенностей геологического строения и тектоники Таштагольского месторождения / Н.И. Синкевич // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2003. №4. - с.28-29.

2. Синкевич Н.И. Оценка удароопасности массива горных пород с помощью прибора УМГП-3 /Н.И. Синкевич// Безопасность труда в промышленности. - 2004. №1. - с.27-28.

3. Синкевич Н.И. Закономерность изменения запаса прочности горных пород с глубиной разработки Таштагольского железорудного месторождения /Н.И. Синкевич// Безопасность труда в промышленности. - 2003. №6. - с.45-47.

4. Синкевич Н.И. Оценка природного напряженного состояния массива Абаканского месторождения /Н.И. Синкевич// Горный журнал. - 2003. №11. - с.30-31.

5. Синкевич Н.И. Закономерности изменения напряжений в аномальном поле при очистной выемке /Н.И. Синкевич// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2003. №3. - с.49-52.

6. Синкевич Н.И. Роль натурных наблюдений за природным массивом как объектом изучения /Н.И. Синкевич// Безопасность труда в промышленности. - 2003. №7. - с.43-44.

7. Синкевич Н.И. Напряженно-деформированное состояние вне зоны влияния очистных работ /Н.И. Синкевич// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2003. №5. - с.8-10.

8. Синкевич Н.И. Особенности формирования напряженного состояния скальных массивов горных пород /Н.И. Синкевич// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2003. №5. - с.10-11.

9. Геомеханические условия отработки участка "Новый Шерегеш" / Б.В. Шрепп, Н.И. Синкевич, В.В. Дорогунцов, Ю.Н. Никуленко // Безопасность труда в промышленности. - 1994. № 6. - с.16-20.

10. Исследование вопросов геомеханики и удароопасности при подготовке месторождения "Одиночное" /Б.В. Шрепп, Н.И. Синкевич, И.Н. Солманов, Д.В. Зырянов // Горный журнал - 1994. №10. - с. 49-52.

11. Геомеханическая оценка условий отработки глубоких горизонтов Шерегешевского месторождения. / Б.В. Шрепп, А.В. Мозолев, Н.И. Синкевич, В.Н. Никитин // Безопасность труда в промышленности. -1995. № 7. - с.29-33.

12. Исследование вопросов геомеханики удароопасного массива при сооружении вертикальных стволов / Б.В. Шрепп, А.В. Мозолев, Н.И. Синкевич, Н.И. Скляр и др.// Горный журнал. - 1996. № 1-2. - с.88-92.

13. Исследование напряженно-деформированного состояния массива вмещающих пород и крепи ствола на Таштагольском руднике / Н.И. Синкевич, Б.В. Шрепп, В.К. Климко, Н.И. Скляр // Безопасность труда в промышленности. 1998, № 8. - с.40-44.

14. Пат. 2193659 Россия, МПК 7Е 21С 41/22. Способ отработки месторождений полезных ископаемых / Н.И. Синкевич, Б.В. Шрепп, О.В. Залесская, В.К. Климко, Н.И. Скляр. ОАО "ВостНИГРИ" - Заявка №2000113978; Заявл. 02.06.2000; Опубл. 27.11.2002. - 10с.; 2л.ил.

15. Пат. 2301332 Россия, МПК 7Е 21С 39/00. Устройство для измерения деформаций на стенках скважин / Н.И. Синкевич. ГОУ ВПО "СибГИУ"- Заявка №2006102767/03; Заявл. 31.01.2006; Опубл. 20.06.2007. - 5с.; 2л.ил.

16. Синкевич Н.И. Натурные исследования параметров напряженно-деформированного состояния на Таштагольском железорудном месторождении /Н.И. Синкевич// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004. №2. - с. 82-84.

17. Синкевич Н.И. Оптимизация по геомеханическим условиям схем и способов очистной выемки /Н.И. Синкевич// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004. №3. - с. 259-264.

18. Исследование вопросов геомеханики удароопасного массива при сооружении вертикальных стволов / Б.В. Шрепп, А.В. Мозолев, Н.И. Синкевич, И.Н. Солманов, Д.В. Зырянов // Горный журнал - 1995. №5, - с.10-14.

19. Временное руководство по сооружению вертикальных стволов при повышенном горном давлении и удароопасности на рудниках Сибири / Б.В. Шрепп, А.В. Мозолев, Н.И. Синкевич, В.А. Квочин и др. - Новокузнецк.: Изд. центр СибГИУ, 1995. - 47с.

20. Методические рекомендации по предупреждению ударов горно-тектонического типа на железорудных месторождениях Сибири / Б.В. Шрепп, А.В. Мозолев, В.А. Квочин, М.В. Курленя, А.А. Еременко, Н.И. Синкевич и др. - Новокузнецк.: Изд. центр СибГИУ, 1997. - 27с.

21. Синкевич Н.И. Динамика геомеханического состояния при вскрытии новых горизонтов и шахтных полей на месторождении / Синкевич Н.И. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004, №4. - с. 341-344.

22. Синкевич Н.И. Исследования параметров напряженно-деформированного состояния на Таштагольском железорудном месторождении / Н.И. Синкевич // Известия вузов. Горный журнал. - 2004, №5. - с. 51-56.

23. Синкевич Н.И. Напряженно-деформированное состояние пород и его изменение во времени / Н.И. Синкевич / Известия вузов. Горный журнал. - 2004, №6. - с. 42-44.

24. Синкевич Н.И. Исследования напряженно-деформированного состояния массивов на рудниках Горной Шории / Н.И. Синкевич / Горный журнал. - 2004, №10. - с. 41-43.

25. Синкевич Н.И. Прогноз удароопасности железорудных месторождений Сибири / Н.И. Синкевич // Безопасность труда в промышленности. - 2005, №3 - с. 50-52.

26. Синкевич Н.И. Исследование деформаций контура горизонтальных выработок при проходке на больших базах / Синкевич Н.И. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2005, №5. - с. 326-328.

27. Синкевич Н.И. Исследования параметров напряженно-деформированного состояния с помощью наблюдательной станции в крепи ствола "Клетевой" / Синкевич Н.И. //Уголь. - 2005, №11. - с. 19-22.

28. Синкевич Н.И. Натурные исследования методом щелевой разгрузки параметров напряженно-деформированного состояния на Шерегешевском железорудном месторождении / Н.И. Синкевич // Уголь. - 2006. №10. - с. 62-64.

29. Синкевич Н.И. Исследование напряженно-деформированного состояния в призабойном массиве вертикальных стволов Абаканского месторождения / Н.И. Синкевич // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006, Н5. -с. 32-35.

30. Синкевич Н.И. Теоретические и экспериментальные работы по горному давлению в вертикальных стволах / Н.И. Синкевич // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006, Н6. -с. 38-41.

31. Пат. 3211534 Россия, МПК 7Е 21С 39/00. Устройство для измерения деформаций на стенках горной выработки методом щелевой разгрузки / Н.И. Синкевич. ГОУ ВПО "СибГИУ" - Заявка № 20055141711/03; Заявл. 30.12.2005; Опубл. 27.11.2007. - 6с.; 3л.ил.

32. Пат. 23114417 Россия, МПК 7Е 21С 39/00. Устройство для измерения деформаций на стенках горной выработки методом частичной разгрузки на большой базе / Н.И. Синкевич. ГОУ ВПО "СибГИУ" - Заявка № 2006110177/03 (011064); Заявл. 29.03.2006; Опубл.10.01.2008. - 5с.; 3л.ил..

33. Синкевич Н.И. Классификация массива неоднородных пород по динамической удароопасности и типу месторождения / Н.И. Синкевич // Безопасность труда в промышленности. - 2008, №4 - с. 30-31.

Размещено на Allbest.ru

...