Прогноз устойчивости подготовительных выработок при отработке первоочередного участка Яковлевского месторождения

Актуальность работы.

Яковлевское месторождение КМА по ценности и запасам богатых железных руд, по сложности горнотехнических, геологических и гидрогеологических условий является уникальным.

Богатые железные руды являются корой выветривания железистых кварцитов на глубине 480−590 м. Залегают в виде мощной, до 300 м, полосы клинообразной формы с углом падения 60−70°.

На Яковлевском месторождении существует два водоносных комплекса, в осадочном чехле и кристаллическом фундаменте. Наличие двух водоупоров препятствует воздействию большинства водонапорных горизонтов осадочного чехла на рудную залеж. Однако непосредственно над рудным телом располагается нижнекаменноугольный водоносный горизонт с напорами до 440 м.

Проходка горных выработок под неосушенными водоносными горизонтами сопоставима с ведением горных работ под водными объектами. Необходимость сохранения водозащитных свойств покрывающей рудной и породной толщи обуславливает высокие требования к качеству подготовительных, очистных и закладочных работ. На каждом этапе ведения горных работ должна обеспечиваться устойчивость обнажений подготовительных выработок в рудном массиве.

При подземной разработке месторождений полезных ископаемых ведение очистных работ значительно ухудшает состояние устойчивости горных выработок. На всех этапах добычи полезного ископаемого должно обеспечиваться эксплуатационное состояние подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ.

В этой связи прогнозирование устойчивости рудных обнажений и выбор типов и параметров крепи выработок, находящихся под влиянием очистных работ соответствующих горно-геологическим и горно-техническим условиям месторождения, является важнейшей задачей, имеющей первостепенное значение для обеспечения будущей безопасной и устойчивой производственной деятельности рудника.

Значительный вклад в исследование процесса деформирования и разрушения пород вокруг горных выработок внесли, Безродный К. П., Булычев Н. С., Картозия Б. А., Огородников Ю. Н., Протодьяконов М. М., Руппеней К. В, Тимофеев О. В., Фотиева H.H., Цимбаревич П. М. и многие другие.

Большой вклад в изучение опорного давления и устойчивости подготовительных выработок внесли отечественные ученые Ардашев К. А, Борисов A.A., Галаев Н. З., Долгий И. Е., Зубков В. В., Зубов В. П., Каплунов Д. Р., Козырев A.A., Ковалев О. В., Петухов И. М., Протосеня А. Г., Слесарев В. Д., Смирняков В. В., Трушко B. JI, Черняк И. Л., и др.

Цель работы: обеспечение устойчивости подготовительных горных выработок в зоне влияния очистных работ при отработке первоочередного участка рыхлых руд Яковлевского месторождения.

Идея работы: выбор рациональных типов и параметров крепи должен производиться на основе прогноза устойчивости подготовительных выработок, базирующегося на результатах математического моделирования, определяющего особенности деформирования рудного массива с учетом опорного давления, возникающего при ведении очистных работ.

Основные задачи работы:

• исследование прочностных свойств образцов закладочного материала;

• расчет опорного давления в рудном массиве при слоевой системе разработки с закладкой;

• проведение натурных наблюдений за устойчивостью выработок на Яковлевском руднике;

• разработка математической модели деформирования рудного массива в зоне влияния очистных работ в условиях Яковлевского рудника;

• выбор параметров крепи подготовительных выработок с учетом дополнительного опорного давления при слоевой системе разработки.

Научная новизна работы:

• установлены закономерности изменения прочностных и деформационных характеристик закладочного материала в зависимости от времени твердения и величины водонасыщения, которые используются при математическом моделировании;

• выявлены закономерности изменения параметров напряженно-деформированного состояния на границе рудной потолочины и карбоновой толщи при строительстве защитного перекрытия, которые используются для оценки опасности образования вертикальных водопроводящих трещин и проникновения воды в заложенные выработки.

Защищаемые научные положения:

• интенсивное снижение прочностных и деформационных характеристик закладочного массива в результате водонасыщения происходит в течение первых 14−21 суток и составляет для прочности на одноосное сжатие — 56%, для модуля деформации — 16% от их от максимального значения, после чего снижение прочности и модуля деформации резко замедляется и к 48 суткам замачивания составляет 57% и 21% соответственно;

• наибольшая величина коэффициента концентрации вертикальных напряжений в зоне опорного давления при отработке первого слоя изменяется от 2,42 до 3,05 и зависит от порядка строительства перекрытия, недозаклада, физико-механических свойств рудного и закладочного массива, а размер зоны влияния опорного давления изменяется от 19 м до 80 м;

• форма и размеры области предельного состояния вокруг выработки и величина нагрузок на крепь должны определяться на основе решения упруго-пластической задачи с учетом этапов развития очистных работ.

Практическая значимость работы: обоснованы рациональные виды и параметры крепей горных выработок, пройденных в зоне влияния очистных работустановлены величины прочностных и деформационных характеристик закладочного массива.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций: подтверждается значительным объемом экспериментальных натурных наблюдений за состоянием подготовительных выработок и очистных заходокмоделированием напряженно-деформированного состояния (НДС) массива, вмещающего очистные работы, при различном порядке проведения с учетом нелинейных свойств массива, сходимостью полученных на моделях величин осадки рудной потолочины со смещениями глубинных реперов, полученных в натурных условиях.

Апробация диссертации: Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференции «Проблемы подземного строительства в XXI веке» (Тульский государственный университет, Тула, 2009) — конференции молодых ученых в Краковской горнометаллургической академии (2009) — ежегодных конференциях молодых ученых и студентов в 2008;2011 (СПГГИ (ТУ) им. Г. В Плеханова, Санкт-Петербург) — на заседаниях кафедры Строительства горных предприятий и подземных сооружений СПГГИ (ТУ) и получили одобрение.

Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований, участии в проведении натурных исследований, обработке полученных данных на ЭВМ, анализе натурных данных, создании конечно-элементных моделей для исследования особенностей формирования областей предельного состояния вокруг выработок в зоне влияния очистных работ, выполнении численных экспериментов и разработке практических рекомендаций.

Публикации.

По теме диссертации опубликованы 7 печатных работ, из них 5 работ в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 101 наименования, 59 рисунков и 37 таблиц.

Выводы по разделу.

1. В ходе определения прочности закладочного материала была проведена 640 измерений скорости ультразвука при поверхностном прозвучивании в 11 очистных заходках горизонта — 370 м. Подготовлены и испытаны на одноосное сжатие с определением скорости ультразвука 28 кубиков — образцов закладки.

2. Результаты определения прочности закладочного материала методом ультразвукового контроля в очистных заходках горизонта -370 м показал, что средняя величина прочности изменяется от 4,2 до 8,0 МПа. Наиболее характерны значения прочности от 5,8 до 6,5 МПа.

3. Результаты определения прочности закладочного материала в лабораторных условиях на образцах неправильной формы показал, что средняя величина прочности составляет 6,23 МПа, а средний модуль деформации составляет 5920 МПа.

4. Лабораторные испытания закладочного массива позволили определить следующие физико-механические характеристики:

— естественная влажность закладочного массива.

IV, в =17,693%,.

— водопоглощение закладочного материала.

Жиоа.= 28,828%,.

— снижения прочности при сжатии горной породы в водонасыщенном состоянии.

АЛ = 34,2%.

5. В результате лабораторных испытаний установлено влияние длительного водонасыщения (48 суток) на следующие физикомеханические характеристики закладочного массива:

— прочность на одноосное сжатие — снижение на 57,4% -прочность на растяжение — снижение на 26,3% -сцепление — снижение на 40,8% -угол внутреннего трения — снижение на 22,7% -модуль деформации — снижение на 21,2%.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РУДНОГО МАССИВА, ВМЕЩАЮЩЕГО ПОДГОТОВИТЕЛЬНУЮ ВЫРАБОТКУ В ЗОНЕ.

ВЛИЯНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ.

Исследование напряженно-деформированного состояния массива, вмещающего подготовительные выработки в зоне влияния очистных работ, представляет сложную геомеханическую задачу. Решение подобных задач не имеет точных аналитических решений. Наиболее эффективными методами исследования напряженно-деформированного состояния массива в таких случаях является физическое или математическое моделирование. В диссертационной работе использовалось математическое моделирование, с применением метода конечных элементов [28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42], которое, несмотря на некоторую идеализацию натурных условий, имеет существенные преимущества по возможностям исследования.

Цель моделирования — выявление закономерностей распределения напряженно-деформированного состояния массива горных пород, вмещающего выработки в зоне влияния очистных работ при слоевой системе разработки. Задачи моделирования:

— определение растягивающих напряжений на границе руда-карбон с целью определения возможности образования вертикальных водопроводящих трещин;

— определение величины зон опорного давления в результате ведения очистных работ в зависимости от недозаклада очистных выработок и количества отработанных слоев;

— выявление закономерностей распределения напряженно-деформированного состояния вокруг подготовительных выработок в зоне опорного давления.

3.1 Исследование на объемной математической модели напряженно-деформированного состояния рудной потолочины.

Разработка месторождений в сложных условиях под водоемами и водоносными горизонтами ведется с использованием искусственных или природных водозащитных перекрытий. На Яковлевском месторождении роль природного перекрытия будет выполнять рудная потолочина мощностью не менее 65 м. В этих условиях недопустимо образование водопроводящих трещин в породах карбона, которые могут стать причиной прорывов воды в горные выработки при строительстве перекрытия и ведении очистных работ. Важной задачей является оценка существующих деформаций и возможности трещинообразования вышележащей толщи, а так же прогноз этих явлений на различных этапах строительства защитного перекрытия. По геологическим данным, полученным на Яковлевском месторождении, была разработана математическая модель, включающая два очистных блока №№ 4,5.

Модель представляла собой систему подготовительных и очистных выработок (заходок), которые последовательно проходятся и закладываются твердеющей смесью [43]. Заходки разделены на выработки первой, второй и третьей очереди. Объем и состав моделирования определялся с учетом фактического состояния горных работ на руднике. В настоящее время на горизонте -370 метров по результатам геомеханического мониторинга наибольшая интенсивность смещений рудной толщи, вызванная ведением очистных работ, зафиксирована в районе блока № 5. Поэтому, моделирование таких ситуаций представляется особенно актуальным. Было выполнено объемное моделирование двух блоков горизонта — 370 м (блок № 4, № 5), состоящих из 17 и 18 выработок (рис 3.1) — и плоское моделирование блока № 5 с развитием очистных работ до 8 го очистного слоя при различных величинах недозаклада.

Рисунок 3.1 — Конечно-элементная модель массива пород, вмещающего блоки 4и 5 гор. -370м.

Модель представляет собой участок рудного массива размером 700×300×150 м, включающий выработки 4 и 5 блоков в соответствии с планом горных работ. Размеры модели подбирались, исходя из условия незначительности влияния граничных условий на картину распределения напряжений и деформаций. Для исследования напряжённо-деформированного состояния принята нелинейная модель деформирования массива.

Граничные условия задавались следующим образом: боковым граням запрещались перемещения по оси нижней грани — по оси У, торцевым граням — по оси X.

Напряжённое состояние определялась исходя из того, что выработка расположена на глубине 500 м и задавалась полем напряжений, распределённым, согласно гидростатическому закону по всему объёму вмещающего массива, с составляющими [44, 45, 46]: ах = о, = ХуН, оу= уН, (3.1) где у — удельный вес пород, Н — глубина заложения выработки, Xкоэффициент бокового распора пород, определяемый по формуле (3.2):

3 90 -<р

3.2) где ср — угол внутреннего трения.

Таким образом, вертикальные напряжения составили <зу = 10 МПа, а боковые и продольные ох = о: = 7 МПа.

Модель разбивалась на 108 000 объемных 8-узловых элементов, размер которых в районе выработки составлял 0,2 м, а по мере удаления увеличивался и на границах модели доходил до 2 м.

В моделях вмещающий выработки рудный массив заменялся нелинейно-деформируемой средой, с физико-механическими характеристиками мартит-железно-слюдковой, рыхлой руды: модулем деформации Е=2,3−10 МПа, коэффициентом Пуассона у=0,25. Характеристики закладочного материала: модуль деформации закладочного массива принимался согласно графику изменения его во времени, представленному на рис. 2.15, с учетом плана горных работ, коэффициент Пуассона у=0,25. Для реализации нелинейного характера деформирования массива использована упруго-пластическая модель Кулона-Мора и физико-механические свойства БЖР — сцепление, равное 2,5 МПа и угол внутреннего трения — 25°, закладочного материала — сцепление, равное 2,84 МПа и угол внутреннего трения — 27,3°.

За критерий соответствия модели реальному состоянию моделируемого участка в натурных условиях принята сходимость вертикальных смещений в толще рудной потолочины в натуре и на модели [47, 48]. Базой для сопоставления являются данные по смещениям глубинных реперов № 24 и № 25 установленных маркшейдерской службой рудника в 5 блоке на глубине 9 м для оценки сдвижений рудной потолочины в результате проходческих работ на горизонте -370 м. Величина максимальных смещений за наблюдаемый период находится в пределах от -70 до -140 мм. Величина максимальных смещений полученных на модели представлена на рис. 3.2.

Рисунок 3.2 — График смещений в районе установки реперов № 24 и № 25 в блоке № 5 по результатам моделирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится решение актуальной задачи геомеханического обоснования устойчивости горизонтальных выработок в зоне ослаблений влияния очистных работ, имеющей большое значение для горнорудной промышленности. Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Выполнен комплекс исследований закладочного массива в лабораторных и шахтных условиях. Получены закономерности изменения физико-механических свойств закладки во времени и при водонасыщении. При длительном водонасыщении закладочного материала в течении 48 суток выявлено снижение прочности на одноосное на 57,4%, прочности на растяжение на 26,3%, сцепления на 40,8%, угла внутреннего трения на 22,7%, модуля на 21,2%.

2. Разработана пространственная геомеханическая модель прогноза напряжённо-деформированного состояния рудной потолочины при проведении очистных работ, учитывающая прочностные и деформационные характеристики рудного тела и закладочного массива. Установлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния рудной потолочины при проведении очистных работ.

3. Разработана плоская геомеханическая модель прогноза напряжённо-деформированного состояния вокруг подготовительной выработки, учитывающая развитие очистных работ, прочностные и деформационные характеристики рудного тела и закладочного массива, взаимное расположение выработок и их геометрические размеры.

4. Установлены закономерности изменения и численные значения коэффициентов концентрации напряжений вокруг подготовительной выработки, находящейся в зоне влияния очистных работ.

5. На основе решения упруго-пластической задачи установлены особенности деформирования рудного массива вокруг подготовительной выработки с учетом влияния опорного давления.

6. Разработаны рекомендации по выбору типов и безопасных параметров поддерживающих крепей для обеспечения устойчивости горизонтальных выработок в зоне влияния очистных работ.