WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ПЕТРОВ Дмитрий Николаевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ СОПРЯЖЕНИЙ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ РАЗРАБОТКЕ 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

заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Анатолий Григорьевич Протосеня

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Олег Владимирович Ковалев

кандидат технических наук

Михаил Олегович Лебедев

Ведущее предприятие ОАО «Гипроруда»

Защита диссертации состоится октября 2007 г. в _ _ ч __ мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06. в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. № 1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института (техничес-кого университета).

Автореферат разослан сентября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор Э.И. Богуславский

Актуальность работы. Яковлевское железорудное месторождение является уникальным как по запасам богатой руды, так и по сложности геологических, горнотехнических и гидрогеологических условий.

В геологическом строении месторождения выделяются два различных генетических комплекса пород: докембрийский кристаллический фундамент и перекрывающая его мощная толща осадочных пород горизонтального залегания. Кристаллические породы представлены плагиогранитами и метаморфическими породами – сланцами, железистыми кварцитами, филлитовыми сланцами. Богатые руды залегают среди выветренных железистых кварцитов на глубине 480-590 м в виде мощной, до 300 м, полосы клинообразной формы с углом падения 60-700.

Гидрогеологические условия месторождения сложные. В разрезе прослеживается семь водоносных горизонтов. Залежь богатых руд на участке первоочередной отработки дренирована сетью транспортно-дренажных ортов и дренажных скважин.

Необходимость сохранения водозащитных свойств покрывающей рудной и породной толщи обуславливает высокие требования к качеству подготовительных, очистных и закладочных работ. На всех этапах добычи руды должно обеспечиваться эксплуатационное состояние сопряжений капитальных и подготовительных выработок в рудном массиве.

Особо сложная ситуация на сопряжениях горизонтальных выработок. В этой связи прогнозирование устойчивости рудных обнажений и выбор типов и параметров крепи сопряжений выработок, соответствующих горно-геологическим и горно-техническим условиям месторождения, является важнейшей задачей, имеющей первостепенное значение для обеспечения безопасной и устойчивой производственной деятельности рудника.

Значительный вклад в исследование процесса деформирования и разрушения пород вокруг горных выработок внесли: Ардашев К.А., Баклашов И.В., Булычев Н.С., Долгий И.Е., Зубов В.П., Картозия Б.А., Ковалев О.В., Козырев А.А., 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.

Проблемой обеспечения устойчивости сопряжений горных выработок занимались Данилкин М.С., Константинова С.А., Минин В.А., Мирзаев Г.Г., Найдов М.И., Першин В.В., Павлова Л.Д., Писляков Б.Г., Сыркин П.С., Трушко В.Л., Широков А.П. и другие.

Цель диссертационной работы: обеспечение эксплуатационного состояния сопряжений горизонтальных выработок в рудном массиве.

Идея работы: выбор рациональных типов и параметров крепи сопряжений производится на основе особенностей деформирования рудного массива с учетом последовательности рассечки сопряжений.

Основные задачи исследования:

- проведение натурных наблюдений за смещениями контуров выработок на сопряжениях;

- разработка геомеханической модели деформирования рудного массива, вмещающего сопряжения выработок;

- разработка методики оценки устойчивости рудного обнажения и нагрузок на крепь сопряжений выработок;

- разработка рекомендаций по креплению сопряжений выработок в рудах с низкой устойчивостью.

Методы исследований. Принята комплексная методика исследований, включающая:

- обследование вывалообразований, произошедших на сопряжениях;

- шахтные наблюдения за смещением рудного массива на сопряжениях;

- определение прочностных свойств вмещающего массива в шахтных условиях методом сверления;

- математическое моделирование напряженно-деформированного состояния рудного массива в окрестности сопряжений выработок.

Научная новизна работы:

- установлены закономерности распределения напряжений в рудном массиве, вмещающем сопряжения выработок, на базе разработанной пространственной конечно-элементной нелинейной геомеханической модели, учитывающей прочностные и деформационные характеристики пород, напряженное состояние нетронутого массива, геометрические размеры, форму выработок и последовательность рассечки сопряжения;

- выявлены экспериментально-аналитические зависимости смещений рудного массива на сопряжениях горных выработок, в частности, наибольшие величины смещений имеют место в кровле и почве и увеличиваются по сравнению с их значениями на контуре одиночной выработки в 1,34 раза для одностороннего сопряжения и в 1,57 раза для двухстороннего.

Защищаемые научные положения:

- разрушение массива на сопряжениях горизонтальных выработок в слабых рыхлых рудах происходит в форме вывала, максимальная высота свода разрушения находится в районе геометрического центра сопряжений и для односторонних сопряжений составляет 1,52 м, а для двухсторонних - 34 м. На односторонних сопряжениях разрушение боковых целиков со стороны сопрягающейся выработки составляет 0,51,5 м, с противоположной стороны разрушение незначительно;

- пространственная геомеханическая модель рудного массива, вмещающего сопряжения горных выработок, должна учитывать, кроме прочностных и деформационных характеристик рудного тела, напряженное состояние нетронутого массива, взаимовлияние сопрягающихся выработок и последовательность рассечки сопряжения;

- расчет нагрузок на крепь сопряжений выработок в слабых рудах следует производить по выявленной экспериментально-аналитической зависимости, базирующейся на теории свода; устойчивое состояние сопряжений можно обеспечить с помощью арочного перекрытия на камерных рамах.

Практическая значимость работы:

- разработанное автором “Устройство для определения прочности горных пород в массиве” принято геологической службой Яковлевского рудника;

- разработана методика расчета нагрузок на крепь сопряжений выработок в рыхлых рудах;

- определены рациональные типы и параметры крепи для поддержания сопряжений выработок, пройденных в рыхлых рудах.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций: подтверждается значительным объемом экспериментальных натурных наблюдений за состоянием крепи сопряжений и деформациями вмещающих пород, моделированием напряженно-деформированного состояния (НДС) массива вокруг выработок методом конечных элементов.

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); конференции молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (2006); научно-техническом совете СПГГИ (ТУ).

Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований, в проведении натурных исследований, обработке полученных данных на ЭВМ, анализе натурных данных, создании конечно-элементных моделей для исследования особенностей формирования напряженно-деформированного состояния вокруг сопряжений выработок, выполнении численных экспериментов и разработке практических рекомендаций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ в вузовских и межвузовских сборниках научных трудов и в соавторстве с Максимовым А.Б. получен патент РФ на “Устройство для определения прочности горных пород в массиве” (№2303251 от 22.03.2006).

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 80 наименований, 61 рисунок, 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 выполнен анализ горно-геологических и гидрогеологических условий Яковлевского железорудного месторождения, методов оценки устойчивости обнажений. Сформулированы цель и задачи исследований.

В главе 2 приведены результаты натурных наблюдений за состоянием крепи сопряжений. Определены форма и геометрические размеры вывалообразований на сопряжениях выработок в рыхлых рудах. Выявлен характер смещений рудного массива в окрестности сопряжений горных выработок.

В главе 3 выполнено моделирование НДС массива, вмещающего сопряжения выработок методом конечных элементов. Определены параметры НДС массива для прямоугольных одностороннего и двухстороннего сопряжений с учетом свойств массива, геометрических размеров и последовательности рассечки.

В главе 4 разработана методика расчета нагрузок на плоское и арочное перекрытия крепи сопряжений в рыхлых рудах. Даны рекомендации по выбору рациональных типов и параметров крепи.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Разрушение массива на сопряжениях горизонтальных выработок в слабых рыхлых рудах происходит в форме вывала, максимальная высота свода разрушения находится в районе геометрического центра сопряжений и для односторонних сопряжений составляет 1,52 м, а для двухсторонних - 34 м. На односторонних сопряжениях разрушение боковых целиков со стороны сопрягающейся выработки составляет 0,51,5 м, с противоположной стороны разрушение незначительно.

Рудный массив Яковлевского месторождения отличается изменчивостью физико-механических свойств богатых железных руд. Для выявления характера деформирования массива в боках и кровли сопряжений и обоснования эффективности применяемых на руднике конструкций крепей был выполнен комплекс натурных наблюдений, включающий: анкетирование состояния крепей сопряжений, измерение геометрических размеров и пространственной ориентации зон разрушения вмещающего сопряжения массива, наблюдения за смещениями контурных и глубинных реперов.

В ходе анкетирования состояния крепей сопряжений измерялись фактические геометрические размеры крепей сопряжений и закрепного пространства, определялась зона разрушения пород в боках выработки, оценивалось эксплуатационное состояние и величина деформирования элементов крепи сопряжений и примыкающих к ним выработок. Были обследованы сопряжения выработок с различными видами крепи в рыхлых рудах на горизонте -425 м и горизонте – 370 м. Результаты анкетирования позволили сделать следующие выводы: в боковых целиках сопряжений происходит деформирование и разрушение руды; при наличии отпора крепи величина зоны разрушения составляла 0,51,5 м; при некачественной забутовке или ее отсутствии - 0,52 м; разрушение боковых целиков происходит в два этапа, на первом этапе – от динамического воздействия, вызванного взрывными работами при рассечке сопряжения, на втором – за счет увеличения вертикального давления в боковых целиках; зона интенсивных деформаций крепей выработок, примыкающих к сопряжению, находится в пределах 25 м; наибольшим деформациям подвержены подхватные балки и балки перекрытия крепи.

Смещения контурных реперов относительно глубинных (рис.1) указывают на то, что процесс деформирования рудного массива, как для одиночной выработки, так и после проходки сопряжения, можно разделить на два периода: на первом происходит интенсивный рост смещений (до 60-90%), второй период характеризуется линейной зависимостью смещений от времени; размер зоны разуплотнения в висячем и лежачем боку, независимо от типа сопряжения, находится в пределах 1-1,5 м, что на 60-70% больше, по сравнению с одиночной выработкой; размер зоны разуплотнения в кровле для одностороннего сопряжения составляет 1,5-2 м, для двухстороннего – более 2,5 м. Результаты испытания массива методом сверления подтверждают наличие зоны разуплотнения в боковых целиках глубиной от 1 до 1,5 м.

Рис. 1 Смещение контурного репера кровли (а), висячего бока (б) и лежащего бока (в) относительно глубинных реперов, расположенных на расстоянии:1 - 0,7 м; 2 - 1,5 м; 3 - 2,5 м.

Для выявления параметров зоны разрушения массива в кровле сопряжений и механизма ее возникновения было произведено обследование и анализ вывалообразований, произошедших в период сооружения и эксплуатации сопряжений горных выработок. На рис. 2. показана схема типового вывала в районе одностороннего сопряжения в рыхлых рудах. Характеристики вывалообразований сведены в таблицу 1. Основной причиной вывалообразований служила малая прочность рыхлых руд, не соответствующие условиям параметры рассечки сопряжений (увеличенная величина заходок и заряда ВВ) и некачественная или практически отсутствие забутовки закрепного пространства. Анализ натурных данных позволил установить, что по мере удаления от центра сопряжения высота свода разрушения уменьшается, максимальная высота находится в районе геометрического центра

Pages:     || 2 | 3 |






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