Расчет параметров крепи вертикальных стволов в многолетнемерзлом породном массиве кимберлитовых месторождений

М.М. Иудин

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛОМ ПОРОДНОМ МАССИВЕ КИМБЕРЛИТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Предложено расширить методологию нормативного проектирования, принимая за основу базу нормативных документов, путем разработки функциональных коэффициентов и введения их в методические рекомендации, учитывающие особенности горно-геологических условий, не вошедших в нормативные документы.

Ключевые слова: освоение рудных минерально-сырьевых ресурсов, крепи горных выработок, методы проектирования крепления выработок.

Стратегия рационального освоения рудных минеральносырьевых ресурсов Севера основывается на подземном способе разработки месторождений, специфические условия эксплуатации, которых заключаются в наличии криолитозоны, сурового климата, слаборазвитой инфраструктуры. Основными факторами, определяющими возникновение различных криогеннотехнологических осложнений при подземной добыче полезных ископаемых на рудниках Севера, являются: температура мерзлых пород и шахтного воздуха и их знакопеременность по времени; суровые природно-климати-ческие условия; обводненность месторождений.

При проектировании крепи горных выработок на рудниках Севера применяются методы, основанные на рекомендациях нормативных документов [1]. Такой подход к проектированию крепи горных выработок (вертикальных, горизонтальных) в геокриологических условиях Севера является довольно простой и не учитывает особенности термомеханического взаимодействия крепи выработки и многолетнемерзлого породного массива. Многолетняя практика эксплуатации горных выработок показывает, что геомехани-ческие процессы в породном массиве существенным образом проявляются от температурного состояния горных пород, что должно отражаться в методах проектирования крепления выработок.

В настоящее время проектирование вертикальных стволов осуществляется в соответствии с рекомендациями СНиП [1]. В

этом нормативном документе основой расчета является оценка устойчивости горных пород по показателю, представляющего собой отношение силы тяжести горных пород и сопротивления пород сжатию. На основе, которой производится расчет нагрузки на крепь вертикального ствола, и определяются параметры крепи.

Величину критерия устойчивости пород вертикальной выработки следует определять по формуле:

С _ кГксбкцН р

26,3 + ка RC (5,25 + 0,0056 ка RC) ’

где ^ - коэффициент, учитывающий взвешивающее действие воды: для участков вне водоносных горизонтов равен 1; для пород водоносных горизонтов определяется по данным специализированных организаций; ^б - коэффициент воздействия на ствол других выработок: для протяженной части равен 1; для сопряжений -1,5; ^ - коэффициент воздействия на ствол очистных работ: для участков вне влияния очистных работ равен 1; для других участков принимается по данным специализированных организаций; ^ - коэффициент влияния угла залегания пород: для горизонтальных пластов равен 1; для остальных рассчитывается по СНиПу.

Расчетное сопротивление пород сжатию определяется по формуле:

RC _ RkC , МПа

где ^ - коэффициент, учитывающий нарушенность массива пород поверхностями без сцепления, либо с малой связностью (табл. 1).

Нарушенность пород оценивается средней величиной расстояния между трещинами и ослабленными поверхностями с малой связностью. Этот показатель рекомендуется устанавливать по данным о целостности извлекаемого из скважины керна и среднему расстоянию между его естественными разломами (табл. 2).

Отметим, что среднее расстояние между поверхностями ослабления пород (табл. 1) соответствует среднему расстоянию между разломами керна в табл. 2. Это позволяет на стадии геологической разведки определить коэффициент структурного ослабления горных пород.

Таблица 1

Коэффициент структурного ослабления

Среднее расстояние между поверхностями ослабления Коэффициент к(

пород, м

Более 1,5 0,9

От 1,5 до 1 0,8

От 1 до 0,5 0,6

От 0,5 до 0,1 0,4

Менее 0,1 0,2

Таблица 2

Категории нарушенности горных пород по СНиПу

Класс нару- Характеристика Состояние нарушенности

шенности нарушенности извлекаемого керна

пород

I Практически монолит- Выход керна практически без раз-

ные (исключительно ломов, среднее расстояние между

крупноблочные) разломами свыше 1,5 м

II Малотрещиноватые (весь- Выход керна с разломами в сред-

ма крупноблочные) нем через 1-1,5 м

III Среднетрещиноватые Выход крупнокусковатого керна с

(крупноблочные) разломами в среднем через 0,5-1 м

IV Сильнотрещиноватые Выход керна кусками с разломами в

(среднеблочные) среднем через 0,1-0,5 м

V Чрезвычайно трещино- Выход керна обломками и мело-

ватые (мелкоблочные) чью, разломы менее чем через 0,1 м

Изменение модуля упругости горных пород в окрестности выработки определяется величиной интенсивности трещиноватости 1Т через коэффициент k [2]:

к -- 1 .

1 + 0,51Т

По логическому смыслу этот коэффициент соответствует нормативному коэффициенту kC , и позволяет находить связь с трещиноватостью горных пород и ее распределением в породном массиве, что определяет ее практическую ценность. Таким образом, через этот коэффициент k можно связать данные табл. 1 и 2, что позволяет учитывать влияние изменения модуля упругости горных пород в окрестности выработки на устойчивость породного обнажения.

Таблица 3

Оценка устойчивости пород вертикального ствола

Категория устойчивости пород_________

Оценка состояния устойчивости пород

Критерий устойчивости пород в вертикальной выработке С

I Устойчивое До 3

II Среднеустойчивое От 3 до 6

III Неустойчивое От 6 до 10

IV Очень неустойчивое Более 10

Тогда, выбор типа и расчет параметров крепи для протяженной части ствола, а также участков сопряжения следует производить по категории устойчивости породного обнажения вертикального ствола с учетом изменения модуля упругости горных пород (табл. 3).

В зависимости от характера проявлений в выработке горного давления и напряженно-деформированного состояния породного массива и требуемых мер для ее поддержания в рабочем состоянии в СНиПе выделены 4 категории устойчивости пород (табл. 4). Достаточно подробно описаны общие характеристики состояния горных пород вокруг выработки, что позволяет точно определять категорию устойчивости пород и качественные параметры крепления выработки. С другой стороны нет рекомендаций по выбору конкретных типов крепи и методов их оптимизации параметров, особенно в сложных горно-геологических условиях.

Анализ методов расчета и формы потери устойчивости пород в реальных горногеологических условиях и их не соответствие положениям СНиП отмечены и в работе М.С. Плешко и С.А. Масленникова [3], где предлагается ввести трехстадийное проектирование вертикальных стволов, что позволит учитывать широкие горногеологические условия месторождений.

Положения основных этапов предлагаемых этими авторами заключаются в следующем [3].

1-й этап. По данным геологической разведки месторождения оцениваются горногеологические условия подземной разработки, принимаются основные решения по проведению и креплению горных выработок. Оценке подлежат возможности применения современных технологических и технических решений на данном месторождении. Выбирают рациональные схемы проведения и крепления выработки.

90Х

Таблица 4

Технические меры поддержания выработки

Категория Оценка состояния Общая характеристика состояния пород Методы поддержания выработки

I Устойчивое Разрушения пород отсутствуют (либо имеются отдельные нарушения); смещения пород не отражаются на изменении формы и размеров обнажений Эксплуатация выработки возможна без крепи либо при изолирующих типах крепи

II Среднеустой- чивое Разрушения пород имеют незначительное распространение в глубь массива; смещения пород и нагрузки на крепь невелики и, как правило, носят затухающий характер Применение крепей маломощных, податливых, а также ограждающе-упрочняющих типов

III Неустойчивое Разрушениями пород охвачена обширная зона в глубь массива; значительные смещения пород и нагрузки на крепь, слабо затухающие во времени Применение жестких и ограниченно податливых крепей с большой несущей способностью

IV Очень неустойчивое Вокруг выработки формируется большая зона разрушенных пород, образующая непосредственно у груди забоя; весьма значительны смещения пород на жесткую крепь выработки Применение мощных замкнутых ограниченно-податливых крепей в сочетании с различными способами упрочнения пород

2-й этап. В ходе строительства выполняется детальное изучение горногеологических условий породного массива. Проводятся дополнительные исследования по геомеханической оценке устойчивости породного массива вокруг выработки. На основании исследований производят дополнительную корректировку проектных решений.

3-й этап. На стадии эксплуатации выработки путем организации систематического мониторинга состояния крепи и вмещающих горных пород производят оценку влияния различных негативных факторов, которые не были учтены и рассчитаны на первых стадиях проектирования. Этот этап заканчивается с прекращением эксплуатации выработки. В ходе этапа разрабатываются дополнительные мероприятия по защите крепи выработки и обеспечения устойчивости породного обнажения вокруг выработки.

Нормативное обеспечение второго и третьего этапа проектирования должно разрабатываться на основе единой научно-методической базе, обеспечивающей согласованные проектные процедуры каждого периода и увязывающие их между собой.

Методологию проектирования [3] можно и целесообразно распространить (адаптировать) и для геокриологических условий месторождений Севера. Предпосылки есть: результаты многолетних исследований по развитию горного дела на Севере позволяют корректно оценивать характер протекания термомеханических процессов в породном массиве в разных температурных состояниях; современное состояние уровня и новизны технических и технологических решений позволяют оптимизировать параметры крепления выработки в соответствии с прогнозными величинами геомеханических процессов в породном массиве.

Эксплуатация горных выработок в условиях Севера пока-зывает, что обеспечение устойчивости горных пород наиболее благоприятные при сохранении породного массива вокруг вы-работки в многолетнемерзлом естественном состоянии. В этом состоянии отдельные куски горной породы и агрегаты минера-лов сцементированы льдом в порах и трещинах, что обеспечи-вает монолитность и высокую прочность породного массива. Кроме того, лед, как компонент сложной системы, каким явля-ется многолетнемерзлый породный массив, способствует вы-равниванию неравномерных нагрузок со стороны минерально-го скелета горных пород и создает условия моно-тонного фор-мирования напряженного состояния в породном массиве во-круг вертикального

ствола. Поэтому, развитие геомеханиче-ских процессов в многолетнемерзлом массиве горных пород вокруг выработки протекает в области механического влияния выработки, связанной с ее проведением в массиве. Другие горнотехнические факторы, особенно геокриологические ус-ловия, не существенно влияют на характер протекания гео-механических процессов.

При изменении естественного температурного режима многолетнемерзлого породного массива под воздействием положительного теплового режима выработки интенсивно развиваются геомеханические процессы в приконтурной области массива, особенно в зоне протаи-вания вокруг выработки. При оттаивании льда нарушается связность, ослабевает сцепление отдельных кусков, блоков мерзлых пород, увеличивается пористость и трещиноватость горных пород, и вследствие этого уменьшаются прочностные и деформационные свойства в при-контурном слое породного массива. Под влиянием изменяющейся геомеханической обстановки (из-за колебаний температурного состояния горных пород) вокруг выработки происходят процессы, вызывающие нагрузку со стороны оттаявшего слоя пород на крепь вертикального ствола. Потеря цементирующих свойств льда в оттаявшем слое пород приводит к появлению нагрузок минерального скелета горных пород одного куска на другой, что вызывает неравномерность распределения напряжений и деформаций по периметру вертикального ствола. Знание термомеханических процессов, происходящих в многолетнемерзлом породном массиве, позволяет при проектировании крепи вертикальных стволов корректно оценивать параметры и конструкцию крепи в разных геокриологических условиях и теплового режима в выработке.

Расчет параметров крепи вертикальных стволов рудников, проектируемых в многолетнемерзлом породном массиве, рекомендуется выполнять на основе следующих методических положений:

1. Расчет теплового режима рудника или системы выработок, учитывающий параметры вентиляции рудника и включающий прогноз температуры воздуха и породного массива. На основе расчета температурного режима породного массива выполняется прогноз динамики протаивания мерзлых пород вокруг вертикального ствола на весь срок эксплуатации выработки.

2. Выбор расчетной схемы термомеханического взаимодействия многолетнемерзлого породного массива и крепи вертикального ство-

ла, обоснование и выбор исходных физико-механических свойств горных пород и проектируемой крепи вертикального ствола. На основе анализа горногеологических, геокриологических условий месторождения и результатов температурного прогноза многолетнемерзлого породного массива устанавливается расчетная схема термомеханического взаимодействия крепи вертикального ствола с окружающими горными породами. Например, для условий кимберлитовых месторождений [4] наиболее характерны три расчетные модели термомеханического взаимодействия многолетнемерзлого породного массива с крепью вертикального ствола: упругая, упруго-вязкая и жесткопластическая. Выбор той или иной модели обусловлен типом горных пород и характером их деформирования, пересекаемых вертикальным стволом: для четвертичных отложений лучше соответствует жесткопластическая модель; для осадочных, коренных пород - упругая; для пород, склонных к проявлениям реологических явлений - упруговязкая модель термомеханического взаимодействия.

В ходе анализа термомеханического взаимодействия породного массива и крепи вертикального ствола устанавливаются расчетные нагрузки на крепь выработки, и определяются силы взаимодействия конструкции крепи ствола с окружающим массивом горных пород. Далее выполняется проверка несущей способности проектируемой крепи вертикального ствола по термомеханическим условиям взаимодействия, и выбор параметров крепи на период эксплуатации выработки с необходимой и достаточной несущей способностью.

Общий порядок выбора и расчета крепи вертикального ствола слагается из следующих операций, проводимых дифференцированно по участкам с одинаковыми термомеханическими условиями эксплуатации:

- на основе анализа инженерно-геологических и геокриологических данных месторождения проводится оценка термомеханического состояния массива горных пород;

- по теплофизическим характеристикам мерзлых и талых горных пород и параметрам теплового режима в вертикальном стволе осуществляется прогноз динамики протаивания мерзлых пород вокруг выработки на весь период его эксплуатации;

- по результатам анализа термомеханического взаимодействия протаивающего многолетнемерзлого породного массива и крепи вертикального ствола проводится прогнозный расчет нагрузок на крепь и параметры взаимодействия;

- выполняется прогноз возможных неблагоприятных сочетаний нагрузок и воздействий на крепь вертикального ствола с учетом динамики изменения горногеологических и геокриологических условий месторождения в процессе подземной разработки и их техногенного воздействия на породный массив вокруг вертикального ствола, и проводится расчет крепи выработки в этих условиях. И в особо ответственных случаях дополнительно выполняется специальный прочностной расчет крепи, и проверка устойчивости формы крепи.

Таким образом, предлагается расширять методологию нормативного проектирования, принимая за основу базу нормативных документов, путем разработки функциональных коэффициентов и введения их в методические рекомендации, учитывающие особенности горно-геологических условий, не вошедших в нормативные документы. Это позволит не выходит за рамки СНиП и в то же время учитывать в методах проектирования степень влияния сложных горногеологических условий на параметры крепи вертикальных выработок.

------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. СНиП ЇЇ-94-80. Подземные горные выработки / Госстрой СССР. - М.: Стройиздат, 1982. - 31 с.

2. Иудин М.М. О трещиноватости массива горных пород // Горный информ.-аналит. бюллетень. Отдельный выпуск Якутия-2. - М.: Мир горной книги. - 2007. - №ОВ6. - С. 279-283.

3. Плешко М.С., Масленников С.А. Прогрессивные подходы к проектированию глубоких вертикальных стволов // Горный информ.-аналит. бюллетень. Тематическое приложение «Физика горных пород». - М.: МГГУ, 2006. - С. 409-415.

4. Иудин М.М., Петров Е.Е. Взаимодействие многолетнемерзлого породного массива с крепью вертикального ствола. - Якутск: ЯНЦ СО РАН, 2000. - 148 с.