СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
PROCEDURE FOR ANGULAR CHARACTERISATION OF STRATA AND EARTH SURFACE MOVEMENT PROCESS AT UNDERGROUND MINING OF ORE DEPOSITS

Изобретение относится к горнорудной промышленности и может быть использовано для охраны объектов на поверхности от вредного влияния подземных горных работ.
Наиболее близким к предлагаемому способу является инструментальный способ натурного определения угловых параметров зоны опасных деформаций процесса сдвижения горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений. Согласно известному способу, наблюдательная станция закладывается в виде 2-3 профильных линий, перекрывающих зону подработки. Профильные линии оформляют рабочими и опорными реперами на глубину 1,5-2,0 м через 20 м по профилю. Высокоточные измерения выполняют 2 раза в год в течение 2-3 лет. Результаты измерений (вычисленные элементы сдвижения и деформаций) оформляют в виде графиков на совмещенном вертикальном разрезе, с которого графически снимают значение углов сдвижения δ, β, γ. Эти значения утверждаются как нормативные и постоянные на весь срок эксплуатации месторождения. Одновременно, с целью «привязки» к местным условиям фиксируются основные геологические элементы залегания рудного тела: угол падения, строение массива (слоистое, неслоистое) и крепость вмещающих пород (см. Инструкцию по наблюдениям за сдвижением горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений / М-во цв. мет.СССР. Горное управление: Введ. 3.07.86. - Разраб. ВНИМИ, ВНИПИгорцветмет. - М.: Недра. 1988. - 112 с.). Данный способ принят в качестве прототипа.
Недостатками известного способа, принятого за прототип, являются высокие экономические, трудовые и временные затраты и повышенная опасность работ в зоне возможных обрушений; несоответствие угловых параметров новым горно-геологическим условиям при освоении более глубоких горизонтов месторождения.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, - снижение экономических, трудовых и временных затрат при полной безопасности работ, а также более точное соответствие угловых параметров изменившимся горно-геологическим условиям при освоении более глубоких горизонтов месторождения.
cp
cp
Поставленная задача была решена за счет того, что в предлагаемом способе определения угловых параметров процесса сдвижения горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений предварительно выполняют анализ горно-геологических условий залегания и разработки запасов, при котором определяют заглубленность горной выработки H/L, где Н - глубина горных пород, м; L - пролет выработанного пространства, м; и средневзвешенное значение коэффициента крепости пород f, оценивают коэффициент структурного ослабления k, который изменяется в пределах от 1 до 0,4 в зависимости от слоистости и нарушенности массива и вычисляют комплексный показатель структуры и крепости подрабатываемого массива n=kf, используя полученные значения горно-геологических факторов, по номограмме определяют основной угол сдвижения δ, а углы сдвижения β и γ вычисляют с учетом угла падения залежи α по формулам:
n
β=δ-αcosα,
n
γ=δ+αcosα,
где n - комплексный показатель структуры и крепости подрабатываемого массива.
cp
ср
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от признаков прототипа, - предварительно выполняют анализ горно-геологических условий залегания и разработки запасов, при котором определяют заглубленность горной выработки H/L и средневзвешенное значение коэффициента крепости пород f; оценивают коэффициент структурного ослабления k, который изменяется в пределах от 1 до 0,4 в зависимости от слоистости и нарушенности массива; вычисляют комплексный показатель структуры и крепости подрабатываемого массива n=kf; определяют, используя полученные значения горно-геологических факторов, по номограмме значение основного угла сдвижения δ; вычисляют углы сдвижения β и γ с учетом угла падения залежи α по приведенным выше формулам.
В результате многолетних исследований впервые установлен механизм сдвижения горных пород в форме сводообразований и связь углов сдвижения со сводообразованием в подрабатываемом массиве. Установлено, что угол сдвижения увеличивается с глубиной горных работ и, достигая максимума 90-95°, закрывается на свод. Определены условия формирования естественного сводообразования в подработанном массиве, при которых зона опасных деформаций полностью локализуется в массиве и не проявляется на поверхности. В этих условиях нет необходимости оставлять предохранительные целики под объектами или применять закладку выработанного пространства.
На основе экспериментальных данных и аналитического обобщения специальной и нормативной литературы, используя механизм сводообразования и установленные закономерности процесса сдвижения с глубиной горных работ, впервые разработана номограмма связи влияния горно-геологических факторов на основной угол сдвижения δ.
В конкретных горно-геологических условиях при постоянном значении параметра n с глубиной горных работ растет заглубленность выработки (H/L). В этих условиях угол сдвижения δ, последовательно увеличиваясь подобно вектору, определяет контур эллиптической кривой сводообразования с деформацией полуосей d=0,4-0,6.
cp
Наличие установленной взаимосвязи между заглубленностью горной выработки H/L, средневзвешенным значением коэффициента крепости пород f и комплексным показателем структуры и крепости подрабатываемого массива n с основным углом сдвижения δ позволяет более точно определить угловые параметры процесса сдвижения горных пород для данных условий, а также соответствующие новым изменившимся горно-геологическим параметрам при освоении более глубоких горизонтов на любом этапе проектирования и разработки месторождения и снизить экономические, трудовые и временные затраты при полной безопасности работ.
Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-5.
cp
На фиг.1 показана схема преобразования угла сдвижения δ по мере углубления выработки с пролетом L для средних условий по структуре и крепости пород в подработанном массиве (f=8-10).
Зона обрушения имеет форму свода, высота которого не выходит за пределы H/L=1,0. Угол сдвижения увеличивается с глубиной горных работ и, достигая максимума 90-95°, закрывается на свод. Таким образом, зона опасных деформаций локализуется в массиве и замыкается на свод при высоте h≈2L.
На фиг.2 показана номограмма для определения значения основного угла сдвижения δ в зависимости от заглубленности горной выработки и комплексного показателя структуры и крепости подрабатываемого массива.
На фиг.3 представлена таблица с укрупненными показателями для определения условий формирования свода, при котором опасные деформации локализуются в массиве и не проявляются на поверхности (k=1).
На фиг.4 представлена торцевая часть вертикальной проекции рудного тела 1 по простиранию залежи и граница опасной деформации на земной поверхности по отстроенному углу сдвижения δ=70°, согласно приведенному ниже примеру.
На фиг.5 представлен вертикальный разрез вкрест простирания рудного тела 1 и отстроена зона опасных деформаций земной поверхности, которая фиксируется углами сдвижения β и γ, согласно приведенному ниже примеру.
Способ осуществляется следующим образом.
cp
На основе анализа горно-геологических условий залегания и разработки залежи, включая проектную и маркшейдерскую документацию, определяют пролет проектируемой выработки в пределах отрабатываемого горизонта (этажа) L, м, при глубине горных работ Н, м. Вычисляют заглубленность горной выработки H/L. Затем определяют f - средневзвешенное значение коэффициента крепости налегающих пород (литотипов) по их мощности по формуле:
На основе геологической документации оценивают коэффициент структурного ослабления k, который изменяется в пределах от 1 до 0,4 в зависимости от слоистости и нарушенности массива.
Далее вычисляют комплексный показатель структуры и крепости подрабатываемого массива n по формуле:
cp
n=kf,
где k - коэффициент структурного ослабления массива;
ср
f - средневзвешенное значение коэффициента крепости пород.
Используя полученные значения заглубленности горной выработки и комплексного показателя структуры и крепости подрабатываемого массива, определяют значение основного угла δ по номограмме (фиг.2).
Вертикальная ось номограммы (фиг.2) обозначает заглубленность горных работ H/L с интервалом 0,25 в относительных единицах. Влияние структуры и крепости пород массива отображается эллиптическими кривыми с привязкой по параметру n. Точка пересечения горизонтальной линии конкретного значения H/L с кривой по параметру n определяет значение угла δ по радиальной (градусной) линии. Горизонтальная ось номограммы (H/Lctgδ) фиксирует максимальное значение зоны опасной деформации на земной поверхности от границы выработки (точка 0) до границы, определяемой углом δ по простиранию.
Номограмма (фиг.2) отражает процесс преобразования углов сдвижения с глубиной горных работ по сводообразной кривой и позволяет путем интерполирования более точно определить основной угол сдвижения δ с погрешностью ±1°.
Углы сдвижения β и γ вычисляют с учетом угла падения залежи α по формулам, выведенным авторами согласно установленной ими геометрической связи с углами δ и α (см. монографию Шадрина А.Г. «Теория и расчет сдвижения горных пород и земной поверхности», 1990 г., с.98):
n
β=δ-αcosα,
n
γ=δ+αcosα,
где n - комплексный показатель структуры и крепости подрабатываемого массива.
Пример конкретного выполнения способа.
В результате анализа горно-геологической документации установлено:
1
1
2
2
3
3
4
4
ср
Рудное тело 1 неправильной конфигурации залегает под углом ≈45° в пределах этажа между горизонтами 100-50 (фиг.5). Массив представлен слоистой структурой без тектонических нарушений, коэффициент структурного ослабления k принимаем равным 0,5. Крепость и мощность литотипов подрабатываемой толщи: известняки (f=7; m=27 м); порфириты (f=10; m=15 м); сиениты (f=12; m=14 м); скарны (f=16; m=13 м). Вычисляем средневзвешенное значение коэффициента крепости массива f по формуле:
ср
Комплексный показатель структуры и крепости массива n=0,5f=5,1.
Глубина горных работ на уровне нижнего отрабатываемого горизонта - 90 м. Пролет выработки для рудных тел неправильной формы определяется на вертикальном разрезе вкрест простирания как проекция контура залежи в пределах отрабатываемого этажа на линию горизонта, получаем L=53 м. Заглубленность выработки H/L=90/53=1,7.
На основе номограммы с помощью интерполирования в точке пересечения этих показателей определяем значение угла сдвижения по радиальной линии δ=70°. Углы сдвижения β и γ вычисляем с учетом угла падения залежи α по формулам:
n
5,1
β=70°-45°cosα=70°-45°·0,7=70°-7°=63°
γ=70°+7°=77°
кр
На фиг.4 представлен вертикальный разрез по простиранию залежи, где отстроен угол сдвижения δ и определена граница зоны опасных деформаций на земной поверхности за пределами рудного тела 1. На вертикальном разрезе вкрест простирания (фиг.5) отстроены углы β и γ, которые определяют зону опасных деформаций на поверхности, соответственно, в сторону падения и восстания залежи по критерию горизонтальной деформации растяжения (ε≥2 мм/м).
Предлагаемый способ, по сравнению с прототипом, позволяет оперативно и более точно определить угловые параметры в лабораторных условиях, на любом этапе проектирования и эксплуатации месторождения и своевременно корректировать эти параметры в изменившихся условиях залегания и разработки запасов с глубиной и по простиранию залежи. Это значительно снижает экономические, трудовые и временные затраты при полной безопасности работ.
Возможность применения предлагаемого способа обоснована проведенными научными исследованиями на рудниках Кривого Рога и СУБРа на Урале. Способ опробован на рудниках Горной Шории в 2007-2008 гг.