Формирование нагрузок на крепь ствола в зоне влияния геологических нарушений Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© Л.М. Казикаев, С.В. Сергеев, 2007

УДК 622.831.1/3

Д.М. Казикаев, С.В. Сергеев

ФОРМИРОВАНИЕ НАГРУЗОК НА КРЕПЬ СТВОЛА В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ

Семинар № 17

Существование тектонических силовых полей в верхней части земной коры подтверждается данными многочисленных натурных наблюдений [1]. Свойства горных пород в зонах тектонических нарушений в значительной степени зависят от степени нарушенности массива [2]. Наибольшие изменения претерпевают величины прочности на сжатие и скорости распространения упругих волн, значение которых при увеличении трещинной пустотности с 2 % до 8 % уменьшается в 2-3 раза. Исследованиями [3] установлено, что в зоне тектонических нарушений прослеживается тенденция к снижению горизонтальных напряжений из области нетрещиноватых пород к трещиноватым, а сами разломы являются зонами разгрузки горизонтальных тектонических напряжений.

За последние десятилетия осваиваются глубокие месторождения, расположенные в субширотных и региональных геологических нарушениях. К ним, в частности, относятся Донское месторождение хромитов (Казахстан) и Талнахское месторождение медно-никелиевых руд. Несмотря на результаты обширных исследований прогноз величин горного давления на крепь стволов на этих месторождениях оказался неточным. Из-за этого в 1984 году произошло разрушение бетонной крепи клетевого ствола шахты «Центральная» Донского ГОКа в ин-

тервале глубин 572-765 м. Ствол на высоту 193 м был обрушен. Для восстановления разрушенной части ствола Проектной конторой треста Шах-тспецстрой была принята комбинированная крепь из чугунных тюбингов и бетона. Повторные осложнения возникли при рассечке сопряжения на глубине 805 м, где было отмечено появление трещин в спинке тюбингов. Начиная с этого момента в период дальнейшей проходки проводились натурные наблюдения за формированием нагрузок на крепь [4].

Клетевой ствол ниже глубины 500 м проходила по дунитам с трещиноватостью 25-35 на 1 м. Трещины были заполнены серпофитом и таль-кобренейритом, мощность которых достигала 1-2 см. Ниже глубины 800 м дробленый милонитоподобный серпентинит составляла до 70 % от общей массы и была сложена кусками неправильной формы размером от 35 до 50-60 см.

Наблюдениями были охвачены 2 интервала (рис. 1):

1 - ранее закрепленный участок с трещинами в спинке тюбингов (замерные станции на тюбинговых кольцах: №№ 328, 335, 340, 341, 347);

2 - интервал дальнейшей проходки глубиной 80 м (замерные станции на тюбинговых кольцах: №№ 350, 358, 360, 366, 374, 394, 412, 422, 432, 435).

Таблица 1

Характеристика замерных станций в клетевом стволе шахты «Центральная»

Показатели

Номера тюбинговых колец с замерными базами

328 335 340 341 347 350 358 360 366 374 394 412 422 432 439

Количество

тюбингов с 4 4 1 4 6 7 8 8 8 8 8 8 8 8 4

деформо-

метрами, шт

Деформоме 4 4 1 4 6 7 10 8 10 11 8 8 8 8 4

тры ее> шт

Деформо-

метры Е„, 4 4 1 4 6 7 8 8 8 8 8 8 8 8 4

шт.

Число цик-

лов наблю- 9 9 9 9 9 6 10 8 11 12 12 16 16 11 3

дений

Продолжи-

тельность наблюдений, 500 380 380 380 500 300 670 670 640 640 600 600 600 600 180

сут.

Таблица 2

Характеристика напряженного состояния тюбинговой крепи при проходке на глубину 20 м

№ Показатели Номера тюбинговых колец

п/п 347 350 358 360 366 374

1. ое, МПа (средн.) 48 129 150 138 146 88

2. ое, МПа (макс.) 70 180 237 190 236 117

3. и коэффиц. вариации 0,363 0,173 0,279 0,272 0,236 0,285

4. е„, МПа (средн.) -35 -69 -40 -13 -28 -30

5. е„, МПа (макс.) -57 -110 -66 -60 -70 -60

6. Р, МПа (средн.) 1,35 3,64 4,23 3,89 5,12 2,46

В табл. 1 приведена характеристика замерных станций, установленных в крепи по методу [5].

Наблюдения за состоянием крепи в период проходки проводились в три этапа (рис. 1): на первом - проходка на высоту 20 м; на втором - проходка на высоту 42 м; на третьем - проходка сопряжения до глубины 887,3 м.

Первый этап (проходка заходкой в 20 м) был выполнен за 55 сут. При этом раздробленность околоствольно-го массива достигала такого уровня, что обнажения стенок ствола на вы-

соту более 1 м не представлялась возможным, т.к. происходило сползание пород. Порода выбиралась почти без взрыва, кусками 5х10х5 см и блоками 50х100х50 см. За 2 месяца было проведено только 7 взрывов в режиме сотрясания.

В табл. 2 приведены основные результаты натурных наблюдений за первый период проходки.

Анализ результатов наблюдений показал, что неравномерность нагружения носит случайный характер. Известно, что нагружения кре-

пи принимается равномерным, когда коэффициент вариации напряжений по периметру не превышает величины 0,2. В нашем случае коэффициент изменяется в пределах от 0, 173 до 0,386, в среднем -

0,293. Исходя из этого в зоне геологических нарушений нагружение крепи можно принимать близким к равномерному.

При непрерывной проходке в течение одного месяца максимальная нагрузка на крепь достигла Р = 4,23 МПа. При этом в первые две недели 70 % от максимальной. Нагружение тюбингового кольца № 374, которое находилось в нижней части заходки закончилось в течение недели (2,46 МПа).

На втором этапе было пройдено и закреплено 42 м ствола. Если на первом этапе проходка производилась со скоростью 0,36 м/сут., то на втором

Рис. 1. Схема расположения замерных станций в клетевом стволе шахты «Центральная»: А - интервал крепления с нарушенными тюбингами; Б - интервал экспериментальной проходки

этапе - 0,74 м/сут. При этом интенсивность нагружения крепи существенно возросла. На рис. 2 приведены графики, характеризующие интенсивность нагружения крепи в зависимости от величины заходки.

Таким образом, в результате экспериментальных исследований на втором этапе был установлен количественный характер зависимости интенсивности нагружения крепи от величины заходок. Исследования, проведенные в клетевом стволе шахты «Центральная» показали, что в зонах геологических нарушений горизонтальные напряжения в массиве можно оценивать по измеренным напряжениям в крепи. В зонах дробления геологических нарушений происходит за счет микросдвижений раздробленного массива от выемки пород. То есть нагрузок происходит не за счет тектонических напряжений, а за счет расширения зонных сдвижения пород в около-ствольном массиве. Это хорошо видно из графиков, приведенных на рис.

2. Так при заходке 3,5 м формирование нагрузок завершается в течение нескольких дней.

Эти результаты были подтверждены результатами натурных наблюдений, проведенных в стволах ВЗС-1 и ВСС-1 рудника «Скалистый» Норильского ГМК в зоне Хараелахского разлома [6].

Заключение

1. В результате экспериментальных исследований была установлена закономерность формирования нагрузок

Рис. 2. Зависимость нагрузок на крепь от расстояния до забоя в интервале глубин 815-880 м: а - графики изменения нагрузок; б - график роста максимальных нагрузок

на крепь стволов, сооружаемых в зоне дробления геологических нарушений.

2. Установлена зависимость величин радиальных нагрузок на крепь от высоты заходки.

3. В зонах дробления геологических нарушений

формирование нагрузок происходит за счет микросдвижений раздробленного массива от выемки пород при проходке.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Марков Г. А. Тектонические напряжения и горное давление в рудниках Хибинского массива. - Д.: Наука, 1977. -213 с.

2. Голодковская Г.А., Панасьян Л.Л. Исследования структуры поля напряжений с помощью расчетных методов. //Труды Гидропроекта. - М., 1979.

3. Панасьян Л.Л. Исследования

структуры поля напряжений расчетным методом. Автореф. на соис. уч. степ.канд.

геол.-минер. наук. - М.: МГУ, 1979.

4. Булычев Н.С., Сергеев С.В., Боли-

ков В.Е. Исследование напряженно-

деформированного состояния крепи клетевого ствола шахты «Центральная» Донского

ГОКа //Геомеханика в горном деле - 96 /Тез. докл. Международной конференции. - ИГД Уро РАН. - Екатеринбург, 1996.

5. Казикаев Л.М., Борисов О.П., Сергеев С. В. Методические рекомендации по проведению натурных наблюдений в стволах, сооружаемых в сложных горногеологических условиях. /ВИОГЕМ. - Белгород, 1985. - 35 с.

6. Булычев Н.С., Сергеев С. В. Исследование нагрузок на крепь стволов в условиях рудника «Скалистый» Норильского ГМК //Геомеханика в горном деле - 96 /Тез. докл. Международной конференции. - ИГД Уро РАН. - Екатеринбург, 1996. ШИН

— Коротко об авторах

Казикаев Л.М. - профессор Московского государственного горного университета. Сергеев С.В. - профессор Белгородского государственного университета.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 17 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Е.В. Кузьмин.