На правах рукописи

ШАРАЕВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВЫЕМКИ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ С УЧЁТОМ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ВТОРИЧНОГО НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА

Специальность 25.00.22. – “Геотехнология (подземная, открытая и строительная)”

Автореферат диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Екатеринбург – 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный уни-верситет».

Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент

Осинцев Валерий Андреевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Корнилков Михаил Викторович кандидат технических наук Дик Юрий Абрамович Ведущая организация – ООО «Специализированный проектный институт «СУБР-проект» Защита диссертации состоится «___» _________ 2008 г. в ____ часов на

заседании диссертационного совета _______________ при ГОУ ВПО «Ураль-ский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатерин-бург, ул. Куйбышева, 30, ауд. 2142.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО

«УГГУ». Автореферат разослан «___» _________ 2008 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук В.К. Багазеев

1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. С увеличением глубины горных работ до 800-1500

м и более на шахтах СУБРа обострилась проблема эффективного и особенно безопасного ведения горных работ в связи с ростом проявлений горного давле-ния, характеризующихся значительным снижением устойчивости массива гор-ных пород и возможностью возникновения горных ударов – наиболее опасной формы динамического разрушения массива. На шахтах, где ежегодно регистри-руется свыше 1000 сейсмических явлений, с энергией, достигающей 108 Дж, проблемы горных ударов серьёзно осложняют технологию добычи, снижают эффективность и безопасность отработки месторождения.

В настоящее время на СУБРе применяются следующие системы разра-ботки: камерно-столбовая, камерно-целиковая с закладкой и система слоевого обрушения. Область применения высокопроизводительной камерно-целиковой системы разработки с закладкой ограничена мощностью рудного тела до 6-8 м. Там, где мощность превышает 8 м, месторождение отрабатывается системой слоевого обрушения, технико-экономические показатели которой сегодня не могут удовлетворять предприятие. В то же время прогноз распределения запа-сов руды по мощности показывает, что свыше 70 % запасов месторождения до глубины 1200 м сосредоточено на участках мощностью более 9 м, что предо-пределяет необходимость изыскания новых технических решений, позволяю-щих вести отработку этих запасов высокоэффективной технологией.

В связи с этим обоснование новой эффективной технологии разработки североуральских бокситовых месторождений на основе двухстадийной отра-ботки месторождения с искусственной кровлей, позволяющей применить ка-мерную систему разработки на участках мощностью свыше 8 м, – актуально для СУБРа и других месторождений, отрабатываемых в удароопасных услови-ях.

Объект исследований: технология выемки рудных залежей в удароопас-

ных условиях на основе применения камерных систем разработки с искусст-венной кровлей.

Предмет исследований: закономерности формирования параметров вто-

ричного напряжённо-деформированного состояния горного массива и методы их изучения.

Цель работы: разработка технологии выемки рудных залежей в ударо-

опасных условиях, обеспечивающей максимальное снижение уровня дейст-вующих напряжений в массиве горных пород за счёт двухстадийной отработки рудного тела камерными системами разработки под искусственной кровлей.

2

Идея работы заключается в обосновании технологии разработки ударо-опасных месторождений на основе снижения уровня действующих напряжений в массиве горных пород за счёт опережающей отработки рудного тела в вися-чем боку.

Основные задачи исследований: – обобщение опыта применения камерных систем разработки при отра-

ботке месторождений, склонных к динамическим проявлениям горного давле-ния, и выявление приоритетных направлений их совершенствования;

– оценка степени устойчивость потолочины различной формы на модели из эквивалентных материалов в лабораторных условиях;

– разработка технологии создания искусственной кровли; – разработка технологии выемки рудных залежей с учётом закономерно-

сти формирования параметров вторичного напряжённо-деформированного со-стояния горного массива в условиях СУБРа.

Методы исследований включают анализ и обобщение отечественного и

зарубежного опыта конструирования систем разработки удароопасных место-рождений, аналитические исследования искусственной кровли и моделирова-ние на эквивалентных материалах, исследования напряженно-деформированного состояния горного массива, производственные эксперимен-ты, промышленные исследования новой технологии ведения очистных работ.

Основные защищаемые положения: – опережающая отработка рудного тела со стороны висячего бока путём

предварительной выемки подкровельных запасов рудного тела снижает уровень действующих напряжений на отрабатываемом участке в связи с перераспреде-лением горного давления в горном массиве;

– деформации нижней и верхней поверхностей искусственной кровли одинаковы, и их величины не зависят от размеров камер и целиков, а опреде-ляются соотношением площади целика и приходящейся на него площади нале-гающих пород;

– отработка основных запасов руды камерами под искусственной кровлей позволяет исключить затраты на крепление кровли в камерах, снизить разубо-живание рудной массы, за счёт увеличения камерных запасов снизить объём горноподготовительных работ.

Научная новизна работы заключается в следующем: – сформулированы необходимые требования к ударобезопасной техноло-

гии, которые помимо горно-геологических факторов и технологических требо-ваний учитывают геомеханический режим нагружения горных пород;

3

– установлены зависимости коэффициента пригрузки со стороны выше-лежащих слоёв от относительной и суммарной мощности;

– в создании метода имитационного моделирования геомеханических и технологических задач, учитывающих особенности отработки месторождений камерными системами с искусственной кровлей;

– в разработке методических положений по расчёту параметров искусст-венной кровли, позволяющих определить зависимость величины мощности ис-кусственной кровли от пролёта очистной камеры и сопротивления закладочно-го материала растяжению на изгиб.

Достоверность научных положений, выводов и результатов, изложен-

ных в диссертации, обеспечивается надежностью и представительностью ис-ходных данных; сопоставимостью результатов аналитических расчётов и ре-зультатов моделирования на эквивалентных материалах; положительными ре-зультатами опытно-промышленной проверки разработанных научно-технических решений.

Практическое значение работы заключается в возможности отработки

участков месторождений СУБРа мощностью свыше 8 м высокопроизводитель-ной камерной системой разработки на основе применения двухстадийной отра-ботки месторождения при создании искусственной кровли, повышении безо-пасности работ в удароопасных условиях в результате снижения величины дей-ствующих напряжений.

Реализация работы: Камерная система разработки под искусственной кровлей прошла широ-

кую промышленную проверку на шахтах СУБРа и позволила по сравнению с существующей технологией в два с лишним раза увеличить производитель-ность забойного рабочего. Наблюдения за уровнем удароопасности в районе отработки опытных блоков не выявили запредельных условий для возникнове-ния динамических нагрузок, что позволяет сделать вывод о повышении уровня безопасности ведения горных работ.

Результаты исследований и основанные на них рекомендации переданы в проектный институт “СУБР-проект” и использованы при составлении проект-ной документации для условий СУБРа, а также используются в учебном про-цессе на горно-технологическом факультете Уральского государственного гор-ного университета.

Разработанный для горно-геологических условий месторождений СУБРа вариант создания искусственной кровли арочной формы камерами по восста-нию в 2,3 раза повышает интенсивность работ и на 20-25 % снижает объём за-кладки.

4

Личный вклад автора: – анализ и обобщение теории и практики отработки месторождений, ха-

рактеризующихся удароопасностью, камерными системами разработки; – постановка задачи по составлению геомеханической модели разруше-

ния пород в статической и динамической формах, позволяющей прогнозно оце-нить удароопасность месторождения и определить основные требования к гор-ной технологии, обеспечивающие максимальное снижение удароопасности;

– разработка новых технологических схем очистной выемки, обеспечи-вающих эффективность и безопасность ведения горных работ.

Апробация работы: Результаты, основные положения и выводы докладывались и обсужда-

лись на научном симпозиуме “Неделя горняка” (Москва, 2008 г.), на конферен-ции “Уральская горнопромышленная декада” (Екатеринбург, 2008 г.).

Материалы диссертации вошли в учебное пособие с грифом УМО Отра-ботка рудных месторождений в удароопасных условиях / В.А. Осинцев, В.М. Беркович, Д.В. Шараев; Урал. гос. горный ун-т. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2008. – 82 с.

Публикации: по результатам выполненных исследований опубликовано

3 работы, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК. Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографиче-

ского списка из 73 наименований и содержит 101 стр. машинописного текста, 31 рисунок, 15 таблиц.

Работа выполнена в Уральском государственном горном университете на кафедре разработки рудных месторождений и является продолжением исследо-ваний кафедры по темам «Расчёт конструктивных параметров и элементов кре-пи столбовой системы разработки с однослойной выемкой и креплением» и «Расчёт конструктивных параметров и элементов крепи столбовой системы разработки с креплением и с учётом неравномерности оруденения».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Изыскание путей повышения эффективности отработки североуральского бокситового месторождения Развитие подземной добычи руд в перспективе, как в нашей стране, так и

5

за рубежом, связано с переходом на большие глубины. С углубкой ведения горных работ горное давление возрастает и вероятность возникновения горных ударов увеличивается.

Вопросам предотвращения и профилактики горных ударов на рудниках посвятили свои труды следующие учёные: М.И. Агошков, В.Р. Именитов, И.М. Петухов, Я.А. Бич, И.М. Батугина, Д.М. Бронников, Б.Ш. Винокур, Н.А. Мура-тов, Е.И. Шемякин, М.В. Курленя, Г.И. Кулаков, Е.И. Микулин, Ю.А. Дик, Б.П. Дробот, Е.С. Горев, В.И. Дорошенко, В.А. Колесов и др.

В настоящее время достаточно детально изучен круг геологических и геомеханических факторов, влияющих на выбор технологии очистных работ как в обычных, так и в удароопасных условиях. К их числу относятся следую-щие факторы:

– морфология рудных тел (угол падения, мощность, форма залегания); – прочностная и деформационная характеристики руд и вмещающих по-

род; – структурно-тектонические особенности рудных тел и породных масси-

вов; – параметры тензора напряжений нетронутого массива горных пород; – направление действия главных напряжений в массиве; – глубина залегания рудных тел. Комплексным влиянием перечисленных факторов определяется как выбор

соответствующего класса систем подземной разработки месторождения, так и параметры конструктивных элементов самой системы разработки (площадь ус-тойчивых обнажений кровли, размеры целиков и потолочин, конструктивные особенности схемы подготовки рудных тел к очистной выемке, нормативная прочность закладки выработанного пространства и т.д.). Важнейшим элемен-том при любой системе разработки является выбор способа управления горным давлением, который в технологическом плане определяется применяемым спо-собом управления подработанным массивом (частичное или полное обрушение, закладка выработанного пространства, поддержание подработанного массива на целиках).

Поскольку даже такое соблюдение указанных требований не исключает формирования зон и участков повышенной концентрации напряжений техно-генного происхождения, создающих опасность возникновения горных ударов, разработаны и проводятся специальные мероприятия по уменьшению этой опасности, а именно: опережающая отработка защитных споев (залежей), соз-дание в краевых частях породных и рудных массивов защитных зон, осуществ-ляемых камуфлетным взрыванием, бурением сплошных разгрузочных щелей или комбинацией указанных способов в различных сочетаниях.

В практике исследований на удароопасных месторождениях происходит постоянное накопление экспериментального материала, как подтверждающего, так и дополняющего основные детали механизма разрушения пород в подзем-

6

ных условиях. Особый интерес в данном случае представляют результаты экс-периментальных исследований влияния горнотехнических условий разрабаты-ваемых месторождений на формы и интенсивность разрушений пород в горных выработках, проходимых и эксплуатируемых в самых разнообразных горно-геологических условиях.

Под комплексным влиянием различного рода факторов разрушения пород происходят в качественно различных (статической или динамической) формах. Статическая форма характеризуется спокойным, растянутым во времени раз-рушением пород в виде образования заколов, шелушения и осыпания пород по контуру выработок, обрушений пород кровли, пластического деформирования. К динамической форме относятся протекающие практически мгновенно разру-шения пород при стреляниях, микроударах, толчках, горных ударах.

Профессором И.М. Петуховым выявлено, что разрушение пород при пе-реходе их в предельное состояние происходит под влиянием двух основных факторов: уровня напряжений в массиве горных пород и условий нагружения. Уровень напряжений в массиве характеризует степень их приближения к пре-делу прочности пород и выражается известным критерием:

max

сж

σ,

σK = (1)

где σmax – максимальное главное напряжение, действующее в массиве; σсж – предел прочности пород на одноосное сжатие.

Условия нагружения определяются сложным взаимодействием сил горно-го давления, возникающих в массиве под влиянием сдвижений подработанных пород, в результате проведения горных работ могут вызвать напряжение “жёст-кое” или “мягкое”, которые характеризуются следующими соотношениями:

н ;G G≥ (2)

н ,G G< (3) где Gн – жёсткость нагружающей системы; G – жёсткость нагружаемой конст-рукции.

В выражениях (2) и (3) роль нагружающей системы выполняет массив горных пород, окружающий горные выработки; нагружаемыми конструкциями являются элементы горных выработок (различного рода обнажения, целики, потолочины, сопряжения выработок и др.).

Выражение (2) характеризует режим “жёсткого” нагружения, выражение (3) – “мягкого”. При “жёстком” режиме материал нагружаемой конструкции (в нашем случае – горные породы) в запредельной области (ниспадающая ветвь кривой в осях напряжение – деформация) разрушается спокойно, в статической форме. При “мягком” нагружении переход горных пород в предельное состоя-ние происходит в форме бурного динамического разрушения (стреляния, толч-ки, микроудары, горные удары).

Анализ структуры геомеханической модели разрушения пород в статиче-

7

ской и динамической формах, отражающей комплексное влияние уровня на-пряженности, условий нагружения и скорости приложения нагрузки, приведён в табл. 1.

Таблица 1 Структура геомеханической модели разрушений пород

Характеристика массива

Форма разрушения

Статическая Динамическая

1 2 3

Уровень напряжённости

ст

сж

σ0,8

σ≥ ст

сж

σ0,8

σ≥ ст дин

сж

σ Δσ0,8

σ

+≥

Характер нагружения:

“жёсткое” нG G≥ ––––– ––––– нG G≥

“мягкое” нG G< нG G< нG G< –––––

Скорость приложения нагрузки

р н

0,

const

υ

υ υ

=

> = р н constυ υ< = р н constυ υ< ≠ р н constυ υ< ≠

примечание. σст – статические напряжения; Δσдин – напряжения динамической нагрузки; υн – скорость приложения нагрузки; υр – возможная скорость пласти-ческого деформирования нагружаемой конструкции.

Характерным для всех форм разрушения является высокий уровень на-пряженности, близкий к пределу прочности пород. Разрушения пород в стати-ческой форме происходят при любых режимах нагружения, но при малых ско-ростях нагружения, близких к постоянным и не превышающих скорости воз-можного пластического деформирования пород под нагрузкой. Разрушение в динамической форме происходит при трёх различных вариантах сочетаний влияющих факторов. Первый вариант – “мягкое” нагружение с постоянной скоростью, превышающей скорость пластического деформирования, второй ва-риант – “мягкое” нагружение с переменной скоростью под влиянием динамиче-ских пригрузок. Для третьего варианта характерен переход от первоначального “жёсткого” нагружения к “мягкому” в результате прихода в сдвижение нагру-жающей системы и возникновения динамических пригрузок.

Эта модель может быть использована как при предварительной прогноз-ной оценке удароопасности новых и эксплуатируемых горнодобывающих предприятий, так и при выборе технологических вариантов отработки ударо-опасных месторождений. С горномеханических позиций критериями “мягко-сти” или “жёсткости” системы служат подвижность или устойчивость подраба-тываемого массива горных пород. Подвергающийся активному сдвижению массив по отношению к любому материалу горных конструкций будет высту-пать в качестве “мягкой” нагружающей системы, а находящийся в состоянии покоя подработанный массив, не создающий условий для притока энергии уп-ругого сжатия в нагружаемую систему, следует оценивать как систему “жёст-кого” нагружения для любой конструкции.

8

Проведенные исследования по составлению геомеханической модели раз-рушения пород в статической и динамической формах позволили сформулиро-вать необходимые требования к ударобезопасной технологии. Сущность этих требований заключается в том, что при конструировании ударобезопасных сис-тем разработки, кроме горно-геологических факторов (мощность, угол падения, форма залегания рудного тела и др.) и технологических требований (ориенти-рование забоев по направлению действия максимальных напряжений, общее развитие фронта очистных работ, расположение подготовительных выработок и др.), в первую очередь необходимо учитывать геомеханический режим нагру-жения горных пород.

В конечном итоге при выполнении этих требований конструктивными элементами системы отработки удароопасного месторождения можно влиять на геомеханическое состояние горного массива и снизить тем самым объём необ-ходимых профилактических мероприятий по приведению этого массива в не-удароопасное состояние. Зная причины возникновения статических и динами-ческих нагружений, можно реализовать наиболее благоприятный режим их проявлений, используя технологические приёмы ведения горных работ. Одним из таких приёмов, успешно применяемых на удароопасных месторождениях, является система разработки с жёстким поддержанием подработанного массива на искусственных опорах (твердеющая закладка). Наряду с созданием благо-приятного “жёсткого” режима нагружения подобный технический приём в зна-чительной мере снижает или даже ликвидирует условия для возникновения ди-намических пригрузок и является основой технологии отработки месторожде-ний, склонным к горным ударам.

Основные положения геомеханической модели были внедрены в сложных

горно-геологических и удароопасных условиях североуральских бокситовых месторождений. Рудные тела представлены жилистообразными меридиональ-ного простирания и падения на восток под углом 20-35°. Для месторождения

Рис. 1. Блок-диаграмма пострудной тектоники месторождений

Североуральского бокситового бассейна: 1 – битуминозные известняки лежачего бока; 2 – рудная залежь; 3 – рифогенные известняки лежачего бока; 4 – битуминозные известняки лежачего бока; 5 – порфириты; 6 – линии текто-нических нарушений

9

характерно чередование рудных участков мощностью 60-200 м и более с без-рудными участками непромышленной мощности.

В регионе североуральских бокситовых месторождений широко развиты дизъюнктивные нарушения с различной амплитудой смещения. Вся площадь разбита на отдельные блоки с амплитудой до 400-500 м (рис. 1). Значительную роль в возникновении горных ударов играет глубина разработки. По состоянию на конец 2008 года на шахтах СУБРа зарегистрировано более 400 динамиче-ских проявлений (табл. 2) с разрушением действующих выработок, в том числе удары горно-сейсмического характера с энергией более 108 Дж и интенсивно-стью в эпицентре около 5 баллов.

Таблица 2 Количество горных ударов, зафиксированных на предприятии

Год

Система разработки Вид работ

Всего

Камерно

-столбовая

Слоевого обрушения

ЭКСР

С закладкой

Подготовительны

е

Капитальные

1970-1975 4 4 – 5 1 4 18 1976-1980 26 11 – 16 12 4 69 1981-1985 39 20 – 13 19 9 100 1986-1990 26 3 – 11 16 5 61 1991-1995 36 2 – 2 10 2 52 1996-2000 33 – 2 – 7 – 42 2001-2005 23 2 4 – 10 3 42

2006 6 – – – 5 – 11 2007 11 – – – 2 1 14 2008

(10 месяцев) 7 – 1 – 3 – 11

Итого 211 42 7 47 85 28 420

Опираясь на опыт мировой горнорудной практики ведения горных работ в удароопасных условиях, автор разработал и предложил к применению на СУБРе вариант системы разработки камерной выемки руды под искусственной кровлей из твердеющей закладки (рис. 2).

Выемочный блок подготавливается к очистной выемке системой панель-ных штреков, пройденных на контакте руды и подстилающих пород. Очистные работы начинаются с выемки и последующей закладки первичных заходок, располагаемых на контакте рудного тела и висячего бока. Выработанное про-странство первичных заходок закладывают твердеющей смесью. Между заход-

10

ками первой очереди проходят заходки второй очереди с совмещением их кровли с кровлей заходок первой очереди и смещением почвы по высоте отно-сительно почвы заходок первой очереди на величину, определяемую из соот-ношения

2 23з р п сж з

2п

γ [σ ] [σ ],

γk

h⋅ ⋅ ⋅

= (4)

где k – эмпирический коэффициент, учитывающий пролёт обнажения; γз – плотность закладочного массива, т/м3; [σр]п – предел прочности пород кровли на растяжение, МПа; γп – плотность налегающих пород, т/м3; [σсж]з – предел прочности искусственного массива из твердеющего материала на одноосное сжатие, МПа.

При этом образованный искусственный массив служит кровлей, которая

предназначена предотвратить самообрушение налегающих пород при камерной отбойке основных нижележащих запасов руды и снизить величину уровня дей-

Рис. 2. Камерная система разработки под искусственной кровлей

из твердеющей закладки: 1 – первичные заходки; 2 – вторичные заходки; 3 – свод естественного равновесия; 4 – вы-емочные камеры

11

ствующего горного давления. После набора нормативной прочности твердеющей смесью в заходках от-

работку основных запасов ведут камерами. Последние располагают через одну таким образом, чтобы их центральные оси совпадали с осями первичных захо-док, а границы камер находились на осях вторичных заходок. При этом уступо-образная форма искусственной кровли образует геометрическую поверхность, приближающуюся по своей форме к фигуре свода обрушения.

При отработке рудных тел в удароопасных условиях при неустойчивых породах предложенной системой разработки достигается следующий положи-тельный эффект. Во-первых, повышается безопасность работ, связанная со снижением уровня действующих напряжений за счёт опережающей отработки в висячем боку рудного тела. Во-вторых, увеличение основных камерных запасов и снижение объёма горно-подготовительных работ на единицу продукции по-вышает эффективность добычи полезного ископаемого. В-третьих, отработка основных запасов камерами под искусственной кровлей позволит исключить затраты на крепление кровли в камерах и снизить разубоживание добываемой руды.

2. Аналитические исследования по оптимизации формы и параметров

искусственной кровли Расчёт необходимой толщины сводчатого несущего слоя (рис. 3) произво-

дили по принципу расчёта монолитной сводчатой конструкции в режиме задан-ной нагрузки. Поскольку монолитные сводчатые конструкции являются стати-чески неопределимыми системами, найти их геометрические параметры непо-средственно из расчёта не представляется возможным. Поэтому геометриче-ские параметры сначала принимаем, а затем проверяем расчётом.

Расчёт сводчатого несущего слоя производили по его средней линии. Рас-чёт выполнен в табличной форме (табл. 3).

Выемка руды под искусственной кровлей камерами, ось которых совпада-ет с осью камер I очереди, а ширина равна суммарной ширине камер I и II оче-редей, проходимых в стадии создания искусственной кровли, ведётся под кров-лей, представляющей собой слоистую разрезную балку, поэтому необходимо проверить устойчивость образованной шарнирной системой. Проверку произ-водим по формуле Г.Н. Кузнецова (рис. 4), устойчивость шарнирной системы обеспечивается при условии:

( )( )

2п н

сж сж.н.н н

1,

3 1k k ln b h

γσ σ

ξ⋅ + ⋅ ⋅

= <⋅ − ⋅

(5)

где k – безразмерный коэффициент, характеризующий степень концентрации напряжений (k = 0,95); ξ –коэффициент, учитывающий механические свойства породы (ξ = 0,04); kп – коэффициент пригрузки (kп = 2); l – пролёт камеры, м; hн – толщина несущего слоя (hн = 0,9 м (толщина СНС в месте шарнира); σсж.н. – нормативная прочность закладки, (σсж.н. = 400 т·м/м3).

12

Рис. 3. Сводчатый несущий слой:

1 – условный несущий слой закладки; 2 – сводчатый несущий слой; 3 – граница искусствен-ной кровли; 4 – площадь армирования; 5 – искусственные целики; 6 – участки искусственной кровли подвешиваемые к сводчатому несущему слою армировкой, или рудная мелочь под закладочным массивом

13

Таблица 3 Расчёт несущего слоя искусственной кровли арочной конструкции номер шва 0 1 2 3 4 5 6

Геом

етрические

характеристики

швов

xm, м 0 1,027 2,034 3,001 3,911 4,744 5,484 ym, м 0 0,07 0,286 0,64 1,122 1,73 2,45 φm, град 0 8 16 24 32 40 48

sinφm 0 0,1392 0,2456 0,4067 0,5299 0,6428 0,7431 cosφm 1,0 0,9903 0,9613 0,9135 0,8480 0,7660 0,6691 tm, м 0,63 0,73 0,83 0,93 1,03 1,13 1,23 1/tm 1,59 1,37 1,20 1,08 0,97 0,88 0,81

К сум

мированию

по

Сим

псону

31 mt 3,999 2,571 1,749 1,943 0,915 0,693 0,534 3mm ty 0 0,180 0,500 0,796 1,027 1,199 1,316 32mty 0 0,013 0,143 0,509 1,152 2,074 3,226

cosφm/ tm 1,587 1,356 1,158 0,982 0,823 0,678 0,519 cos2φm/ tm 1,587 1,343 1,113 0,897 0,698 0,519 0,364

Внутренние усилия

в т

-м шве

основной

системы

Pxm, тс 0 6,16 12,20 18,00 23,47 28,46 32,90

22mPx , тс 0 3,16 12,41 27,02 45,89 67,52 90,22

Pгym, тс·м 0 0,14 0,57 1,28 2,24 3,46 4,90 2

г 2mP y , тс·м 0 0,00 0,08 0,41 1,26 2,99 6,00

qm, тс·м 0 1,572 1,879 2,173 2,450 2,703 2,928 Qm, тс 0 1,454 3,191 5,151 7,255 9,400 11,483 lm, м 0 0,495 0,950 1,367 1,746 2,084 2,378

Qlm, тс·м 0 0,720 3,031 7,041 12,667 19,590 27,306 Mтр’ 0 -3,997 -15,524 -34,469 -59,814 -90,10 -123,532Nтр’ 0 0,921 3,693 8,249 14,379 21,689 29,705

К сум

мированию

по

Сим

псону 3

тр mM t 0 -10,251 -27,151 -42,845 -54,73 -62,439 -65,966

3тр тр mM y t 0 -0,718 -7,762 -27,437 -61,429 -108,03 -162,568

3тр cos mN tϕ 0 1,249 4,276 8,100 11,834 14,705 17,942

Относительные

результаты

M’x, тс·м 3,97 3,190 -1,55 -1,174 -4,434 -6,861 7,303

N’, тс 45,82 46,996 47,740 50,106 53,234 56,787 60,363

lx’, тс·м 0,087 0,069 0,032 -0,023 -0,085 -0,121 -0,121

14

Расчёты показывают, что арочная конструкция искусственной кровли

обеспечивает её устойчивое состояние с коэффициентом запаса прочности 2-3. При пролётах шириной 12 м для кровли арочной формы наблюдается расслое-ние. Такие пролёты приняты как предельно устойчивые при коэффициенте за-паса устойчивости, равном 2. При этом слой закладки у почвы камер I очереди и наклонная часть стенок камер II очереди для обеспечения необходимой проч-ности несущего слоя должен армироваться арматурными стержнями Ø16-20 мм, устанавливаемыми по нормали к почве и наклонным стенкам камер.

3. Изучение на моделях из эквивалентных материалов взаимодействия

искусственной кровли с естественным и искусственным массивом Однако механизм взаимодействия искусственной кровли и массива под

ним в процессе отработки недостаточно изучен. В этой связи появилась необ-ходимость провести исследования этого процесса на моделях из эквивалентных материалов, в задачи которых входило изучить: устойчивость потолочины при различной её форме (плоской и арочной); деформации целиков; взаимодействие природной и искусственной кровель.

Исходным материалом для приготовления эквивалентного материала служил чистый кварцевый песок с размерами зёрен 0,14-0,2 мм. Для получения более тяжелого материала, эквивалентного руде и горным породам, применяли добавку чугунной дроби диаметром 2,0 мм. Объёмная масса эквивалентного материала, включая вяжущее, была доведена до 2,1 г/см3, в среднем по мате-

Рис. 4. График зависимости коэффициента пригрузки kп со стороны вышележащих слоёв от относительной и суммарной мощности Σhi/hн:

1 – пригрузка равна силе тяжести вышележащих слоёв; 2 – hi/hн = 0,25tgφ; 3 – hi/hн = 0,5tgφ; 4 – hi/hн = 1,0tgφ.

15

риалам 2,06 г/см3. В качестве вяжущего использовали: для моделирования руды и пород – парафин и канифоль; для моделирования искусственной кровли – це-мент марки М300.

В качестве эквивалентного материала искусственной кровли использова-

лась песчано-цементная смесь, т.е. практически та же закладка. Срок твердения принят минимальный по нормам строительной индустрии 7 суток. Эквивалент-ный материал искусственных целиков (камер под закладкой) – пенопласт. За-

Рис. 5. Деформации (мм) кровли (линия 1) и почвы (линия 2)

искусственной потолочины после выемки камер первой очереди: а – плоской формы; б – арочной формы

16

мена им приведенного состава закладки искусственной кровли объясняется тем, что при моделировании процесса отработки нижних камер залежи практически невозможно создать искусственные целики. Оценка устойчивости искусствен-ных потолочин и целиков под ней производилась замером перемещений и де-формаций отдельных её точек. Для регистрации смещений устанавливались ре-пера, закладываемые в несущий слой искусственной кровли и на верхней гра-нице её с налегающими породами.

Моделировались две формы искусственной кровли – плоская и арочная. Первоначально были отработаны первичные камеры под кровлей и “заложены” пенопластом. Замеренные деформации на этом этапе (рис. 5) практически не отличались от упругих деформаций основной кровли, рассчитанных по форму-ле Н.И. Мусхелишвили:

( )2

0

2 1 μ γ ',

l H

Eυ

⋅ − ⋅ ⋅ ⋅= (6)

где E и μ – соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона нале-гающих пород; l – полупролёт панели, равный половине подрабатываемого участка, l = 55 м; γ – объёмная плотность пород, кг/м3; H’ – высота свода пород, H’ = 77 м.

Расслоений между искусственной, непосредственной и основной кровля-ми на моделях не наблюдалось. Проверка этого по возникающим направлениям показала, что расслоение при исследуемых пролётах не произойдёт:

( )2 3 3пор

3кр

4 1 μ π0.568,

3

E h

E l

⋅ − ⋅ ⋅ ⋅>

⋅ (7)

где Eкр и Eпор – модули упругости, искусственной кровли и налегающих пород непосредственной кровли; h – мощность потолочины, м; l – расстояние между осями целиков, м.

Моделирование на эквивалентных материалах для условий шахт СУБРа показало, что закладка нормативной прочностью 4,0 МПа удовлетворяет требо-ваниям применения камерных систем разработки с искусственной кровлей. Ко-эффициент запаса искусственных целиков под потолочиной равен 2,0. Устой-чивость искусственной кровли определяется расслоением непосредственной и искусственной кровель. Расслоение происходит при пролётах 12 м для кровли плоской формы и 16-18 м для кровли арочной формы. Эти величины приняты за устойчивые пролёты. Устойчивость искусственной потолочины арочной формы по сравнению с плоской повышается на 15-25 %.

4. Изыскание рациональной технологий создания искусственной

кровли в условиях шахт СУБРа Опыт отработки месторождений с искусственной потолочиной позволяет

выделить два основных направления в технологии её возведения: искусствен-ное укрепление пород кровли различными методами и тем самым создание но-

17

вой искусственной кровли на основе породного массива, а также за счёт выем-ки соответствующего слоя пород кровли и создания искусственной кровли на основе закладочного массива. Учитывая горно-геологические условия место-рождений СУБРа, за основу была принята технология создания новой искусст-венной кровли взамен вынутого предварительно соответствующего слоя пород естественной кровли.

Рис. 6. Вариант создания плоской искусственной кровли камерами по восстанию:

1 – камера для скреперной лебёдки; 2 – первичная камера; 3 – вторичная камера; 4 – первич-ный панельный штрек; 5 – вторичный панельный штрек; 6 – вентиляционно-закладочный штрек; 7 – полевой восстающий; 8 – вентиляционно-закладочный орт; 9 – полевой откаточ-ный орт; 10 – орт-заезд; 11 – промежуточный панельный штрек; 12 – рудный восстающий; 13 – искусственная кровля

18

В ходе выполнения диссертационной работы были изучены наиболее ра-циональные варианты создания плоской искусственной кровли, исходя из усло-вий оптимизации технологии её возведения и безопасной высоты искусствен-ной кровли с учётом пролётов отрабатываемых под ней камер:

– вариант создания плоской искусственной кровли камерами по восста-нию;

– вариант создания искусственной кровли камерами по простиранию; – вариант создания искусственной кровли заходками по восстанию. Технико-экономическая оценка показала, что наиболее эффективным из

рассматриваемых вариантов является вариант создания искусственной кровли камерами по восстанию (рис. 6). Применение этого варианта позволит повы-сить интенсивность горных работ в 2,3 раза и снизить объём закладки на 20-25 % с сохранением на том же уровне показателей потерь и разубоживания. Расчё-ты были произведены для следующих параметров блока: длина по простиранию – 60 м, наклонная высота – 60 м, угол падения залежи – 30º и мощность – 16 м.

На уровне предпроектных проработок было разработано несколько вари-антов технологии возведения искусственной кровли арочной формы. Более удобным оказался вариант придания искусственной кровле арочной формы за счёт оставления на почве камер отбитой руды (рис. 7). В этом случае все каме-ры создаются одинаковой высоты. За счёт скреперования руды по камерам ос-татки её в первичных и вторичных камерах располагают вдоль выработки. Ос-тавленная в камерах отбитая руда забирается при отработке нижних камер.

Для предотвращения ослабления искусственной кровли за счёт её слои-

стости она нуждается в дополнительном укреплении, что возможно на основе применения анкерной крепи или установления металлической арматуры. Наи-более технологично применение анкерной крепи, при этом более низкую себе-стоимость имеют железобетонные штанги.

Рис. 7. Вариант придание искусственной кровле арочной формы

за счёт оставления руды на почве камер

19

5. Опытно-промышленные исследования технологии камерной выемки под искусственной кровлей в условиях шахт СУБРа Промышленные испытания вариантов камерной выемки под искусствен-

ной кровлей проведены на шахте 15-15бис СУБРа в достаточно большом объё-ме в блоках: 2-5 юг гор. -320 м (1-й опытный участок), 13-16 юг гор. -275 м, 10-17 сев. гор. -410 м (2-й опытный участок) и др.

В ходе проведения очистных работ в первую стадию выемка запасов про-водилась камерами различной высоты. Как правило, высота камер второй оче-реди больше высоты камер первой очереди. Большая часть камер в верхней части участка сработана до известняков лежачего бока, т.е. на всю мощность рудного тела (рис. 8).

В зависимости от устойчивости естественной кровли ширина камер со-

ставляла 6-8 м. В ходе создания искусственной кровли к моменту проектирова-ния подсечка естественной кровли была осуществлена не во всех камерах. От-работанные камеры были заложены твердеющей смесью, которая обеспечила нормативную прочность закладочного массива 4-6 МПа. Подача закладки про-водилась с перерывами и с различным объёмом доз. Таким образом, искусст-венная кровля создана слоистой, величина слоёв различная – от 0,1 и более.

Рис. 8. Отработка опытного блока 13-16 юг гор. -275 м:

1 – закладочный массив; 2 – рудное тело; 3 – первичные заходки; 4 – вторичные заходки; 5 – первичные камеры; 6 – вторичные камеры

20

Наибольшая интенсивность слоистости была выявлена на горизонтальных уча-стках почвы камер.

В ходе создания искусственной кровли участок блоков 13-16 юг, по дан-ным регионального прогноза удароопасности, производимой сейсмостанцией из 52 месяцев эксплуатации, входил в течение 39 месяцев в число опасных по динамическому проявлению горного давления. Величины сейсмической актив-ности имели переменные показатели от 0 до 27. Максимальные значения изо-линий 23-27 держались в период отработки камер первой очереди в блоке 16 южн. гор. -275 м.

При проведении горноподготовительных, нарезных и очистных работ в блоках 13-16 гор. -275 м повышенной категории удароопасности и динамиче-ских проявлений не зафиксировано.

Наблюдения за деформацией непосредственной кровли в опытных блоках 13-16 юг гор. -275 м показали, что основные деформации реализуются уже в момент подсечения первичных камер. Величина прогиба нижних слоёв (за-штангованной пачки пород) достигает 28-44 мм. Отмечается расслоение пород по высоте.

После подсечки пород кровли в камерах II очереди характер их деформи-рования аналогичен характеру деформирования в камерах I очереди. Основная часть деформаций прогиба реализуется непосредственно в момент подсечки кровли и находится в пределах 26-48 мм, после чего её деформация стабилизи-руется.

По мере выемки и закладки вторичных камер искусственная кровля при-гружается толщей пород, расположенной непосредственно над ней. Происхо-дит перераспределение горного давления и искусственная кровля пригружается максимально.

В некоторых камерах кровля была настолько устойчивой, что не нужда-лась в установке штанг и подвесок.

Ниже приводятся показатели опытно-промышленных работ на шахте 15-15 бис.

Общий объём добычи, тыс т 1250 Средняя мощность рудного тела, м 18,8 Потери, % 3,8 Разубоживание, % 3,7 Удельный объём ГПР, м/1000 т 220 Объём добычи под искусственной кровлей, % 62,5 Производительность труда забойного рабочего, м3/чел./смену 8,5 Анализ полученных данных свидетельствует о наличии резерва роста

производительности труда. При средней мощности рудного тела 18,8 м на вы-емку запасов под искусственной кровлей со скважинной отбойкой и взрыводо-ставкой отбитой руды без захода людей в очистное пространство пришлось

21

62,5 % от общего объёма добычи, что позволило добиться производительности труда горнорабочего свыше 20 м3/чел./смену. Средние показатели по выдаче руды из блока при работе одной бригады составили 2400 т/месяц, в отдельных случаях достигая свыше 5000 т/месяц. Это также свидетельствует об опреде-ленном резерве роста производительности труда.

Освоение новой технологии и внедрение её при отработке рудных тел в удароопасных условиях и неустойчивых вмещающих породах позволило:

– значительно расширить область применения высокопроизводительной камерной системы разработки;

– повысить безопасность работ в результате снижения величины дейст-вующих напряжений за счёт опережающей отработки рудного тела в висячем боку;

– увеличить камерные запасы и снизить удельный объём горно-подготовительных работ, повысить эффективность добычи полезного ископае-мого.

Применение систем с твердеющей закладкой, несмотря на более полное извлечение боксита из недр, приводит к дополнительному разубоживанию ру-ды закладочным материалом.

Результаты исследования потерь и разубоживания были использованы в качестве исходных данных при технико-экономической оценке новой техноло-гии добычи. Другие стоимостные параметры приняты на основе фактических данных деятельности шахт СУБРа.

За критерий оценки эффективности применения камерной выемки под ис-кусственной кровлей была принята величина себестоимости добычи.

Общий экономический эффект, подсчитанный по данной методике, от применения камерной системы разработки под искусственной кровлей на шах-тах СУБРа составил более 40 млн. руб. (в ценах 2008 года).

При оценке эффективности применения новой технологии в качестве ба-зового варианта принята система слоевого обрушения, применяемая в идентич-ных горно-геологических условиях на шахтах СУБРа.

За время испытаний камерной выемки под искусственной кровлей на шахтах СУБРа было добыто более 1 млн т руды. Производительность труда за-бойного рабочего в среднем составила 8-9 м3/смену (максимальная – 22 м3/смену) против 4,6-4,7 м3/смену при системе слоевого обрушения. Потери ру-ды составили 3,8 %, разубоживание – 3,7 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертации решена актуальная научно-техническая задача – разработ-

ка эффективной и безопасной технологии отработки рудных залежей мощно-

22

стью свыше 8 м на основе геомеханической модели разрушения пород в стати-ческой и динамической формах, имеющая существенное значение для повыше-ния безопасности горных работ на большой глубине.

Основные результаты проведённых исследований сводятся к следующе-му:

1. Разработана технология двухстадийной отработки месторождения ка-мерными системами разработки с искусственной кровлей и обоснована методо-логия технических решений, сущность которой заключается в следующем:

– конструктивные решения создания искусственной потолочины сле-дует дифференцировать от степени устойчивости кровли и применяемых вариантов технологии отработки подкровельных запасов руды в блоке;

– опережающая отработка рудного тела со стороны висячего бока пу-тём выемки подкровельных запасов рудного тела снижает уровень дейст-вующих напряжений при отработке массива и, соответственно, степень проявления горного давления;

– механическая устойчивость искусственной кровли находится в зави-симости от её конструктивного исполнения и формы, искусственная кровля арочной формы на 15-20 % имеет большую устойчивость по срав-нению с плоской. 2. Выполненный комплекс лабораторных исследований посредством мо-

делирования на эквивалентных материалах позволяет делать следующие выво-ды:

– из двух сравниваемых технологий возведения искусственной кровли (камерно-целиковой и сплошной) наибольшая неравномерность распре-деления опорного давления характерна для камерно-целиковой техноло-гии;

– деформации нижней и верхней поверхности искусственной кровли одинаковы, и величины их при второй стадии выемки камер не зависят от размеров камер и целиков и формы искусственной кровли, а определяют-ся соотношением площади целика и приходящейся на него площади нале-гающих пород;

– закладка нормативной прочностью 4 МПа удовлетворяет требовани-ям применения камерных систем разработки под искусственной кровлей, коэффициент запаса прочности при этом составляет 2;

– устойчивость искусственной кровли определяется во многом рас-слоением непосредственной и искусственной кровли, расслоение проис-ходит при пролётах 12 м для плоской формы кровли и 16-18 м – для ароч-ной. Эти величины приняты за предельные устойчивые пролёты, при ко-торых коэффициент запаса устойчивости составляет 1,10-1,15, устойчи-вость искусственной потолочины арочной формы по сравнению с плоской повышается на 15-25 %. 3. Изучая горно-геологические условия месторождений СУБРа, разрабо-

23

тали технологию создания новой искусственной кровли взамен предварительно вынутого естественного слоя пород висячего бока на основе камерной выемки. Наиболее эффективным вариантом создания искусственной кровли является вариант кровли арочной формы камерами по восстанию, при котором в 2,3 раза повышается интенсивность работ и на 20-25 % снижается объём закладки.

4. На устойчивость искусственной кровли первостепенное значение ока-зывает её слоистость, которая определяется временем перерывов в подаче за-кладки. При этом процесс сцепления слоёв становится минимальным при вре-мени перерывов в подаче закладки свыше 40-60 мин, для предотвращения ос-лабления искусственной кровли за счёт её слоистости она нуждается в допол-нительном укреплении, что наиболее эффективно на основе штанговой крепи.

5. На основе инструментальных маркшейдерских наблюдений за оседани-ем искусственной кровли установлено, что деформации кровли формируются в течение 5-8 суток, затем они практически прекращаются, при этом величина оседания не превышает 50 мм.

6. Общий экономический эффект от применения камерной системы раз-работки под искусственной кровлей на шахтах СУБРа составил более 40 млн руб. (в ценах 2008 года).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих рабо-

тах В ведущих рецензируемых научных изданиях, определённых ВАК

России: 1. Шараев Д.В. Добыча руды в удароопасных условиях на шахтах СУБРа /

Осинцев В.А., Беркович В.М., Шараев Д.В. // Вестник Магнитогорского госу-дарственного технического университета им. Г.И. Носова. – 2008. – №2(22). – С. 5-9.

2. Шараев Д.В. Расчётный метод определения устойчивости искусственной кровли арочной формы / Шараев Д.В. // Известия вузов. Горный журнал. – 2008 – №8. – С. .

В прочих изданиях:

3. Шараев Д.В. Технология отработки удароопасных месторождений (на примере шахт североуральского бокситового рудника) / Осинцев В.А., Берко-вич В.М., Шараев Д.В. // Материалы уральской горнопромышленной декады: сборник научных трудов УГГУ. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2008. – С. 86-87.

Подписано в печать .11.2008 г. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать на ризографе. Печ. л. 1,0.

Тираж 100. Заказ № .

Издательство УГГУ 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30

Уральский государственный горный университет Отпечатано с оригинал-макета

в лаборатории множительной техники издательства УГГУ