WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

МАКСИМОВ Антон Борисович

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УПРОЧНЯЮЩЕЙ КРЕПИ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ ЯКОВЛЕВСКОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Специальность 25.00. 20 Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2007

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель

доктор технических наук,

профессор Юрий Никифорович Огородников

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Олег Владимирович Ковалев

кандидат технических наук Андрей Евгеньевич Удалов

Ведущее предприятие ОАО «Гипроруда».

Защита диссертации состоится "23" мая 2007 г. в 17 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106, г.Санкт-Петербург, 21 линия, д.2, ауд. 2205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан "23" апреля 2007 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н., профессор Э.И.БОГУСЛАВСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Яковлевское месторождение богатых железных руд по запасам и качеству руды, по особенностям гидрогеологических и горнотехнических условий является уникальным среди железорудных месторождений мира.

Богатые руды залегают среди выветрелых железистых кварцитов на глубине 480-590 м в виде мощной, до 300 м, полосы клинообразной формы.

Гидрогеологические условия месторождения сложные. В разрезе прослеживается семь водоносных горизонтов. Залежь богатых руд на участке первоочередной отработки относительно дренирована сетью транспортно-дренажных ортов и дренажных скважин, которые бурились с опережением проходческих забоев.

Необходимость сохранения водозащитных свойств покрывающей рудной и породной толщи обуславливает высокие требования к качеству подготовительных, очистных и закладочных работ. На всех этапах геотехнологической цепи должна быть обеспечена устойчивость обнажений в боках и кровле подготовительных и очистных выработок в рудном массиве.

В этой связи прогнозирование устойчивости рудных обнажений и обоснованный выбор типов и параметров крепи выработок, соответствующей горно-геологическим и горно-техническим условиям месторождения, является важнейшей задачей, имеющей первостепенное значение для обеспечения в будущем устойчивой производственной деятельности рудника.

Значительный вклад в исследование процесса деформирования и разрушения пород вокруг горных выработок внесли: Ардашев К.А., Баклашов И.В.,Борисов А.А., Булычев Н.С., Воскобоев Ф.Н., Долгий И.Е., Зубов В.П., Картозия Б.А., Карташев Ю.М., Каплун А.С., Ковалев О.В., Козырев А.А., Мельников Н.Н., Огородников Ю.Н., Протодьяконов М.М., Протосеня А.Г., Руппенейт К.В., Смирняков В.В., Тимофеев О.В., Трушко В.Л., Фотиева Н.Н., Цимбаревич П.М., Шик В.М. и многие другие.

Цель диссертационной работы: обосновать область применения, типы и параметры упрочняющей крепи, обеспечивающие устойчивость выработок в рудах Яковлевского железорудного месторождения.

Идея работы: в слабых рудах Яковлевского месторождения, отличающихся высокой пористостью и малой разрыхляемостью, упрочняющая комбинированная крепь горных выработок обеспечивает устойчивые несущие конструкции.

Основные задачи работы:

- установить величину предела прочности массива рыхлых руд в естественном состоянии;

- исследовать процесс деформирования руды в приконтурной зоне выработок;

- разработать математическую модель взаимодействия массива с упрочняющей крепью.

- выявить закономерности формирования упрочняющей крепью устойчивого состояния массива вокруг выработок в условиях Яковлевского железорудного месторождения.

- обосновать типы и параметры упрочняющей крепи с учетом прочностных и деформационных свойств вмещающего массива.

Методы исследований: принята комплексная методика исследований, включающая:

- исследования прочностных свойств вмещающего массива в шахтных условиях методом сверления и на образцах неправильной формы.

- экспериментальные исследования характера смещений горных пород в натурных условиях при поддерживающей и упрочняющей крепи.

- компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния в окрестности выработок.

Научная новизна работы:

– установлены закономерности формирования и развития процесса дезинтеграции массива слабых руд с образованием вокруг выработок зоны разуплотнения мощностью до 0,8 м, с прочностью до 0,9 МПа и зоны предельного состояния мощностью 0,2-0,3 м, с прочностью до 9-11 МПа;

– установлена зависимость нагрузки на гибкие подхваты комбинированной крепи от коэффициента разрыхления руды, мощности зоны разуплотнения и провеса подхвата между анкерами.

Защищаемые научные положения:

1. В мартитовых и железнослюдково-мартитовых слабых рудах Яковлевского месторождения вокруг выработок формируется три зоны, отличающиеся по состоянию массива: первая зона – разуплотнененной руды с прочностью при сжатии до 1 МПа, мощностью 0,5-0,8 м, склонная к вывалам; вторая – зона предельного состояния мощностью 0,2-0,3 м с переменной, увеличивающейся с глубиной до 9-12 МПа прочностью; третья – устойчивая зона ненарушенного массива с повышенными напряжениями, с прочностью 9-12 МПа, соответствующей прочности массива в естественном состоянии.

2. Модуль деформации массива слабых руд, определенный решением “обратной” задачи по измеренным в натуре смещениям контура выработок на порядок меньше модуля деформации, принятого по данным разведки в проектных материалах.

3. В слабых рудах выработки рекомендуется крепить комбинированной упрочняющей крепью из анкеров “Swellex” с гибкими подхватами при обязательном условии полной затяжки контура, предупреждающей вывалы руды из зоны разуплотнения и обеспечивающей подпор зоны предельного состояния разрыхленной рудой.

Практическая значимость работы: приняты геологической службой Яковлевского рудника разработанные автором “Устройство для определения прочности горных пород в массиве” и методика определения прочности руд в массиве; рекомендована корректировка методики оценки устойчивости выработок на основе определенной методом сверления прочности руд в массиве; приняты на руднике рекомендации по применению в рудных выработках, подлежащих закладке, комбинированной крепи из анкеров с гибкими подхватами.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций: подтверждается значительным объемом экспериментальных натурных наблюдений, моделированием НДС массива вокруг выработок методом конечных элементов и опытно-промышленными испытаниями упрочняющей крепи.

Апробация диссертации: содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных конференциях молодых ученых и студентов СПГГИ(ТУ) им. Г.В. Плеханова “Полезные ископаемые России и их освоение” (Санкт-Петербург, 2005, 2006, 2007) и научно-техническом совете СПГГИ(ТУ).

Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований, разработке оснастки, методики и реализации экспериментов по определению прочности руд в массиве методом сверления, участии в установке реперных станций и замерах смещений реперов, зондировании закрепного пространства, определении прочности руд в зоне разуплотнения на образцах неправильной формы, анализе полученных данных и последующей обработке на ЭВМ.

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 5 статьях, подана заявка и получено положительное решение о выдаче патента от 04.12.2006, №2006109076/28(009872).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы, включающей 85 наименований. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста, содержит 32 таблицу и 55 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 выполнен анализ горногеологических и гидрогеологических условий Яковлевского железорудного месторождения, методов оценки устойчивости обнажений. Сформулированы цели и задачи исследований.

В главе 2 определены прочностные характеристики пород и руд на контуре обнажения и в массиве. Определены границы зон разуплотнения и предельного состояния в рудных выработках. Установлен характер смещений во вмещающем массиве и на контуре выработок.

В главе 3 выполнено моделирование методом конечных элементов НДС массива вокруг одиночной выработки, пройденной в рудном массиве с упрочняющей крепью. Определены зоны концентрации напряжений в массиве и влияния выработки.

В главе 4 разработана методика расчета комбинированной крепи из анкеров “Swellex”, гибких подхватов, деревянной затяжки и забутовки применительно к условиям Яковлевского рудника. Даны рекомендации по выбору типов и параметров упрочняющей крепи в подготовительных выработках Яковлевского рудника.

Основные результаты отражены в следующих защищаемых положениях:

1. В мартитовых и железнослюдково-мартитовых слабых рудах вокруг выработок формируется три зоны, отличающиеся по состоянию массива: первая зона разуплотнененной руды с прочностью при сжатии до 1 МПа, мощностью 0,5-0,8 м, склонная к вывалам; вторая зона предельного состояния мощностью 0,2-0,3 м с переменной, увеличивающейся с глубиной до 9-12 МПа прочностью; третья устойчивая зона ненарушенного массива с повышенными напряжениями, с прочностью 9-12 МПа, соответствующей прочности массива в естественном состоянии.

Подготовительные выработки Яковлевского месторождения в рудном массиве крепятся металлической арочной крепью из спецпрофиля (КМП-А3). Только в плотных гидрогематитовых рудах применяется крепь из железобетонных анкеров (ЖБА) или ЖБА с металлической сеткой.

Наблюдения за оконтуриванием выработок при буровзрывном способе проходки, проведенные с помощью съемки поперечных сечений выработок в призабойной зоне и зондирования закрепного пространства, показали, что в кровле выработок переборы за проектный контур достигают в среднем не менее 0,4-0,6 м. После забутовки в закрепном пространстве кровли систематически остаются пустоты. В будущем с развитием горных работ на гор.-365 м, ослабленная рудная потолочина может деформироваться, причем характер деформаций трудно прогнозировать. Закладка выработок с арочной крепью твердеющими смесями не устраняет вероятность появления опасных осадок рудной толщи над верхним горизонтом, так как закладочный материал не проникает в закрепное пространство в кровле.

Проблема может быть решена применением в выработках верхнего слоя с коротким сроком службы упрочняющей крепи, которая оптимально сочетается с процессом заполнения выработок бетоном машиной Paus.

Для обоснования возможности применения, выбора типа и параметров упрочняющей крепи было необходимо установить закономерности деформирования вмещающего выработки рудного массива; уточнить модель его взаимодействия с поддерживающей и упрочняющей крепями. Использовался комплекс методов натурных экспериментов, включающий наблюдения за смещениями контурных и глубинных реперов, измерения деформаций стержней трубчатых гидрораспорных анкеров (Swellex) при их раздуве в шпурах, зондирование пространства за крепью КМП-А3, определение прочности рудного массива с глубиной методом сверления.

По всем 6 станциям, смещения контурных реперов относительно глубинных, установленных на расстоянии 0,8-1,3 м от контура, указывают на разуплотнение приконтурного слоя руды. Разница в смещениях реперов в интервале от 0,3 до 0,8 м составляет 12-15мм, в интервале 1,3-2,0 м в три раза меньше (рис.1).

Рис. 1. Смещение контурного репера висячего бока выработки относительно глубинных реперов, расположенных на расстоянии:

1 - 0,8 м; 2 - 1,3 м; 3 - 2,0 м.

При рассечке сопряжения на участке экспериментальной выработки, закрепленного анкерами “Swellex”, были подработаны и извлечены несколько анкеров. Характер раздува анкеров по длине анкера различен и объективно отражает изменение сил сопротивления стенок шпура раздуву трубы, и соответственно прочности рудного массива с глубиной. На всех анкерах четко выделяются три участка. На первом, длиной 0,55-0,6 м, участке анкер раздувался без сопротивления, что говорит о низкой прочности руды в этом слое. Далее следует второй короткий, длиной всего 0,2-0,3 м участок, где диаметр трубы снижается с 53-56 мм до 42-43 мм, что свидетельствует о постепенном увеличении прочности массива в этом интервале. На глубинном, третьем участке анкер определенно имел плотный контакт с ненарушенным массивом.

По данным съемки поперечных сечений выработок в забое и зондирования пространства за крепью КМП-А3 установлено, что разуплотненная взрывом шпуровых зарядов руда в приконтурном слое выработки за крепью постепенно обрушается под влиянием взрывов в забое на участке протяженностью до 8-10 м от забоя, затем с меньшей динамикой в течении 3-6 месяцев. Первоначально, средний по участку объем переборов составлял всего 8,6-9,5 %, через 5 месяцев средние показатели достигли 17,2-23,9 % от проектного сечения (табл.1).

Таблица 1.

Средние значения площади поперечного сечения выработки в проходке - Sпр и величины переборов руды - S за проектным контуром.

Проектная

площадь сечения

в свету

в проходке, м2

Дата замера

18.01.05

02.03.05

21.06.05

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»