Оценка геодинамической устойчивости горных выработок глубоких рудников

Оценка геодинамической устойчивости горных выработок глубоких рудников Трушко О. В.

Трушко Ольга Владимировна / Trushko Olga Vladimirovna - кандидат технических наук, доцент, кафедра строительства горных предприятий и подземных сооружений,

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург

Аннотация: в статье рассмотрено решение актуальной проблемы обеспечения геодинамической устойчивости горных выработок глубоких рудников. Для характеристики состояния обнажений незакрепленной горной выработки предложен критерий напряженности кровли и боков, на основании которого выделены категории, характеризующие напряженно-деформированное состояние обнажений горных выработок с учетом динамических форм проявлений горного давления на больших глубинах. Ключевые слова: рудник, горные выработки, месторождения, критерий устойчивости, массив горных пород.

В последние годы в России и на мировом рынке наблюдается постоянный рост потребления алюминия, связанный с развитием целого ряда высокотехнологичных, наукоемких отраслей промышленности.

Увеличение объемов производства алюминия требует интенсивного развития сырьевой базы и вовлечения в разработку все новых участков месторождений, как правило, на больших глубинах в сложных горно-геологических условиях. В России основной рудной базой алюминиевой промышленности являются шахты Североуральского бокситового бассейна, где горные работы ведутся на глубинах 900-1000 м и планируется проектирование и отработка новых горизонтов на глубинах до 2000 м.

На больших глубинах резко усложняются горно-геологические условия отработки месторождений, усиливаются динамические формы проявлений горного давления.

При этом актуальной проблемой становятся выбор и определение типов и рациональных параметров крепи с учетом горно-геологических и горно-технических условий, обеспечивающих надежное поддержание выработок в течение всего срока их эксплуатации, безопасность ведения горных работ и ритмичность работы предприятия.

Для решения этой проблемы специалистами Горного университета совместно с работниками ОАО «Севуралбокситруда» (ОАО «СУБР») выполнен большой объем теоретических и экспериментальных исследований, позволивших разработать «Инструкцию по выбору крепи для подготовительных и горно-капитальных выработок шахт ОАО «Севуралбокситруда».

В инструкции для характеристики состояния обнажений незакрепленной горной выработки предложен критерий напряженности кровли и боков выработки (Пв), выражающий отношение величин расчетных напряжений, действующих на элементы выработки к расчетной прочности пород:

Пв=

а-К  К  К

(

1)

R-К д

где с - напряжение в нетронутом массиве по нормали к продольной оси выработки, МПа;

К1 - коэффициент концентрации напряжений вследствие проведения выработки;

К2 =К2К 2 К 2 - коэффициент изменения напряжений: в результате влияния других выработок - (К2), тектонических нарушений (ТН) - (К 2) и очистных работ - (К 2);

К3 - коэффициент дополнительной концентрации напряжений при динамических явлениях в массиве;

R - среднее значение сопротивления пород в образце одноосному сжатию при кратковременном нагружении, МПа;

Кс - коэффициент структурного ослабления массива за счет трещиноватости и слоистости;

- коэффициент, учитывающий снижение сопротивления породы при многократных динамических нагружениях за счет ослабления связей по трещинам и усталостных явлений.

Напряжения определяются как сумма статических и динамических напряжений, с учетом их концентрации вокруг выработки, а расчетная прочность - с учетом структурного ослабления массива за счет трещиноватости и динамических явлений.

Исходными данными для расчета устойчивости обнажений выработок и составления паспорта их крепления являлись:

- наименование и назначение выработки, ее размеры, срок службы, глубину от поверхности, схему расположения относительно рудного тела, азимут направления (принимается в соответствии с проектом подготовки или вскрытия горизонта);

- свойства массива пород в зоне расположения выработки: литологические типы пород и их разновидности, среднее значение сопротивления в образце одноосному сжатию, характеристика трещиноватости, наличие слоистости и глинистых прослоев, обводненность и стойкость к факторам выветривания, угол и азимут падения, мощность слоев (свиты) пород, характеристики тектонических нарушений с указанием элементов залегания;

- данные регионального и локального прогнозов удароопасности рассматриваемого участка породного массива.

Для выработок, проводимых по рудному массиву и породам висячего бока исходные данные должны дополняться сведениями о строении и мощности бокситовых руд, их классе и подклассе устойчивости, текстурно-структурных особенностях.

В регионе действует неравнокомпонентное поле напряжений. Максимальное главное напряжение (стш) ориентировано в субширотном направлении с отклонениями до + 250 от горизонтальной плоскости, минимальное - в субмеридиональном (стм). Близкое к вертикали главное напряжение (ств) имеет промежуточное значение. Соотношение стш : ств : стм , согласно проведенным исследованиям, отличается для различных шахтных полей.

Форма поперечного сечения выработки выбирается с учетом ориентировки максимальных напряжений в массиве пород и направления проведения выработки. В выработках, проводимых вкрест направлению максимального главного напряжения, предпочтительна прямоугольно-шатровая форма поперечного сечения (рис. 1, а), если вертикальные напряжения не вызывают предельного состояния боков выработки. Трапециевидно-шатровая форма (рис. 1, b), повышает устойчивость боков [1].

При наклонном (к горизонтальной плоскости) направлении максимального главного напряжения в массиве следует использовать шатровую несимметричную (рис. 2, а) или наклонно-эллипсовидную (секторную, рис. 2, b, c) формы поперечного сечения, располагая наклонную ось шатра или сектора под углом 90° ± 10° к направлению максимального напряжения стш.

Для предельных величин напряжений стВ форма сечения (рис. 2, с) более эффективна по устойчивости. При наклонной слоистости массива пород выработке целесообразно придавать полигональную (трапециевидную неравнобокую форму) сечения (рис. 2, d).

Поскольку угол отклонения от горизонтали максимального главного напряжения стш имеет обычно плавающее значение (10°...30°) в пределах шахтного поля и даже протяженности одной выработки, следует предусматривать возможность оперативного изменения формы сечения с учетом естественного формирования контура при проведении выработки или опыта поддержания других выработок в данном районе шахтного поля.

Выработке, располагаемой в направлении наибольшего главного напряжения на глубинах ниже критических, при наличии ориентированной относительно контура выработок трещиноватости, следует, как правило, придавать симметричную сводчатую форму поперечного сечения (рис. 1 с, d). Очертание свода (свод полуциркульного очертания или пониженный) принимается с учетом опыта поддержания выработок на данном участке шахтного поля.

В зонах нарушенных неустойчивых пород форма поперечного сечения выработок определяется конструкцией крепи.

Рис. 1. Рациональные формы поперечных сечений выработок при вертикальном и горизонтальном направлении

главных нормальных напряжений:

a - прямоугольно-шатровое; b - трапециевидно - шатровое; c - прямоугольно - сводчатое; d -подковообразное

Рис. 2. Рациональные формы поперечных сечений выработок при наклонном направлении главных нормальных напряжений: a - прямоугольно-шатровое несимметричное (Л=0,1-0,3); b, c - секторное (А=0,3-0,5); d -

трапециевидное неравнобокое

Тип и параметры крепей выбираются в зависимости от расчетного значения показателя Пв, характеризующего категорию устойчивости обнажений выработки. При этом выделено 4 категории, характеризующие напряженно-деформированное состояние обнажений горных выработок с учетом динамических форм проявлений горного давления [2].

Таблица 1. Критерии устойчивости обнажений горных выработок

Категория и состояние устойчивос ти пород Критерий напряжен ности Пв Обоснование критерия Состояние пород, геологические особенности, формы проявлений горного давления

i 2 3 4

I категория - весьма устойчивое состояние <1,2 Действующие в массиве напряжения меньше или незначительно (в 1,2 раза) превышают расчетную прочность пород с учетом ослабляющих факторов. Учитывая сдерживающее влияние забоя при проведении горной выработки можно принять, что действующие напряжения не превышают длительной прочности пород и вокруг выработки не образуется зона неупругих деформаций, а состояние пород на контуре выработки устойчивое. Контур выработки устойчив весь срок ее службы. Возможны отдельные заколы в забое после взрывных работ. Породы массивные, нетрещиноватые и слаботрещиноватые.

II категория -предельное состояние 1,21-1,6 Действующие в массиве напряжения в 1,21^1,6 раза превышают расчетную прочность пород с учетом ослабляющих факторов. Принимая во внимание вероятностный характер определения исходных величин при расчете Пв и считая по нормальному закону распределение случайных величин, с учетом «правила трех сигм» можно принять диапазон Пв = 1,21^1,6 допустимым для оценки предельного состояния породных обнажений, при котором начинается процесс образования зоны неупругих деформаций или хрупкого разрушения пород в приконтурной зоне. Таким образом, предельное состояние Контур выработки устойчив не менее 12 часов после обнажения. Наблюдаются заколы и потрескивание пород после взрывных работ. Нарушения пород на контуре выработки незначительные и быстро затухают. Породы среднетрещиноватые (не более одной системы трещин).

является «переходной зоной» от устойчивого к неустойчивому состоянию породных обнажений.

III категория -неустойчив ое состояние 1,61-3,0 Действующие напряжения в массиве в 1,61^3,0 раза превышают расчетную прочность пород с учетом ослабляющих факторов. В этих условиях вокруг выработок формируется зона неупругих деформаций и наблюдаются процессы деформирования и заколообразования пород, которые со временем стабилизируются. Контур выработок устойчив не более 12 часов после обнажения. Деформация пород и заколообразование начинаются вслед за взрывными работами. Рост деформаций стабилизируется через 1-2 недели. Породы средне и сильнотрещиноватые, развито не более двух систем трещин.

IVi категория -очень неустойчив ое состояние 3,01-4,5 В этой категории действующие в массиве напряжения значительно превышают (в 3 и более раз) расчетную прочность пород с учетом ослабляющих факторов. Контур выработок устойчив не более 6 часов, после обнажения. Наблюдаются заколообразование и вывалы пород после взрывных работ. Разрушение и деформация пород не затухают длительное время (до 6 месяцев). Породы сильнотрещиноватые, не менее трех систем трещин.

IV2 категория -очень неустойчив ое состояние >4,5 В этом диапазоне значений Пв вокруг выработок наблюдаются интенсивные формы проявлений горного давления, не затухающие длительное время и имеются раздробленные породы в зоне неупругих деформаций. Контур выработки устойчив менее 3 часов после обнажения. Деформации пород и вывалы могут продолжаться до 6 месяцев и более. Породы сильнотрещиноватые, слоистые, местами раздробленные.

Предложенный критерий напряженности и разработанные категории устойчивости обнажений незакрепленной горной выработки могут быть использованы предприятиями и организациями ведущих проектирование, строительство и эксплуатацию подземных горных выработок на шахтах опасных по горным ударам, а также информация содержащаяся в статье может быть полезна для общеобразовательных, научных и инженерно-технических работников предприятий, организаций, научно-исследовательских и проектных институтов, занимающихся вопросами крепления и поддержания горных выработок, проводимых в удароопасных породах рудных месторождений.

Литература

1. Трушко В. Л., Протосеня А. Г., Матвеев П. Ф., Совмен X М. Геомеханика массивов и динамика выработок глубоких рудников. Санкт-Петербург: Наука, 2000 г. 396 с.

2. Трушко О. В. Определение рациональных параметров и типов крепи при разработке подготовительных и горно-капитальных выработок глубоких рудников // Труды 9-й Международной научной школы молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых». (Москва 19-23 ноября 2012). Москва: ИПКОН РАН, 2012 г. С. 213-216.