CC BY
38
© С.А. Константинова, Н.П. Крамсков, А.П. Филатов, М.К. Сороченко, 2004
УДК 622.831
С.А. Константинова, Н.П. Крамсков, А.П. Филатов, М.К. Сороченко
НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ В СОЛЕНОСНЫХ ПОРОДАХ ЧАРСКОЙ СВИТЫ НА ПОДЗЕМНЫХ РУДНИКАХ АК «АЛРОСА»
И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ
Семинар № 14
~П настоящее время АК «АЛРОСА» пе-
-Я-М реходит от открытого к подземному способу добычи полезного ископаемого на ряде кимберлитовых месторождений России -Якутии. Работает подземный рудник «Интернациональный», строятся еще три подземных рудника, один из которых - рудник «Мир».
Одним из основных горно-геологических факторов, оказывающих существенное влияние на характер деформирования вмещающих пород и параметры мульды сдвижения при разработке кимберлитовых трубок «Интернациональная» и «Мир» и, следовательно, влияющих на выбор системы и технологии подземной отработки и способов охраны капитальных выработок, является наличие мощных соленосных толщ во вмещающих породах.
На рис. 1 показана стратиграфическая колонка района кимберлитового месторождения трубки «Мир». Аналогичные горногеологические условия на кимберлитовом месторождении трубки «Интернациональная». Из рис. 1 видно, что соленосная Чарская свита имеет значительную (и 300 м) мощность.
Согласно проекту вскрытия кимберлитового месторождения «Мир» по соленосным породам будут пройдены капитальные выработки 4-х горизонтов на глубинах 600 900 м («-210
м», «-310 м», «-410 м», «-510 м»). Протяженность вскрывающих трубку «Мир» горизонтальных выработок предполагается незначительной.
Подготовительные работы к строительству подземного рудника на месторождении трубки «Интернациональная» были начаты в
1976 году, однако пуск первой очереди состоялся только в августе 1999 года.
По соленосным породам пройдены 3 горизонта («-200 м», «-290 м», «-380 м») капитальных выработок для вскрытия кимберлитовой трубки «Интернациональная» на глубинах 599, 690 и 780 м. Практически по всей их протяженности выработки закреплены. В качестве крепи использованы бетон, железобетон, металлические арки, анкеры, установленные в кровле и боках выработок по сетке 0,8 х 0,8 м2.
В настоящее время в крепи практически всех капитальных выработок уже имеют место негативные деформационные процессы той или иной интенсивности.
На рис. 2 в качестве примера иллюстрируются явления негативного проявления горного давления в конвейерном штреке, который расположен ниже горизонта № 6 на глубине Н = 801 м, имеет ширину 4,4 м и высоту 5,2 м, закреплен железобетонной крепью толщиной 0,5 м и непосредственно соединен со скиповым стволом. Противоположные стенки конвейерного штрека жестко связаны горизонтальными металлическими балками.
В настоящее время в крепи конвейерного штрека имеются вертикальные трещины на всю высоту выработки (см. рис. 2а). Целостность крепи нарушилась практически по всей длине штрека. Горизонтальные двутавровые балки (№ 18), жестко защемленные с двух сторон в железобетонной крепи, прогнуты (см. рис. 26).
Рис. 1. Стратиграфическая колонка района месторождения «Мир»
Особенно ярко негативные деформационные процессы проявляются в крепи сопряжений капитальных выработок друг с другом и со стволами.
Неудовлетворительное состояние крепи горных выработок в соленосных породах Чар-ской свиты на руднике «Интернациональный» вызвано ошибками проектирования (и, может быть, строительства ...), когда на соляные и соленосные породы и породные массивы переносится опыт, относящийся к угольным и рудным месторождениям, где породы имеют со-
вершенно другие деформационные и реологические показатели.
Печальный опыт разрушения жесткой крепи капитальных выработок, пройденных в соляных и соленосных породах, когда крепь не соответствует условиям ее работы, достаточно подробно описан в работах [1 6].
Дело в том, что соляные и соленосные породы различных месторождений обладают ярко выраженными реологическими свойствами. Горное давление проявляется в форме интенсивной ползучести приконтурных пород в окрестности выработок, которая обуславливает
конвергенцию их породного контура и нарастающее во времени давление на крепь.
Имеет место некоторый парадокс. С одной стороны смещения приконтурных соляных пород в окрестности капитальных выработок, не так уж и велики [6] и происходят без нарушения сплошности геологической среды. С другой стороны соляной приконтурный массив развивает настолько большое давление на крепь, что ни одна крепь без элементов податливости не в состоянии его выдержать без разрушения [7, 8]. Вблизи стволов, в местах сопряжений околоствольных выработок, где скорости смещений породного контура в несколько раз больше, чем в одиночной выработке, жесткая бетонная крепь тем более разрушается вскоре после вступления ее в совместную работу с прикон-турными породами, что подтверждается в шахтных условиях [1 + 6, 9, 10].
Процессы ползучести соляных пород наиболее ярко проявляются в камерах большого объема: общешахтные бункеры; дозаторные и перегрузочные камеры; камеры большого сечения различного назначения. На рис. 3 показан фрагмент рабочих чертежей на строительство околоствольных загрузочных комплексов скипового ствола рудника «Интернациональный».
Рис. 2. Негативные проявления горного давления вблизи скипового ствола на руднике «Интернациональный» (горизонт №6, Н =801 м): а -
вертикальная трещина в крепи конвейерного штрека на расстоянии 10-12 м от ствола; б - деформирование двутавровой балки (№18) на сопряжении ствола с конвейерным штреком
В конвейерном штреке (Н = 801 м) наблюдаются негативные проявления горного давления, которые иллюстрируются на рис. 2. В июне 2003 года в нем были установлены 15 контурных реперов:
• 5 пар контурных реперов равномерно
распределены по длине выработки (на противоположных стенках) на расстоянии 2,0 3,0 м
от ее почвы;
• 5 контурных реперов с гибкими тягами закреплены на железобетонных анкерах длиной I = 1,8 м, расположенных в кровле выработки равномерно по ее длине.
На жесткой несущей раме конвейера, установленного на бетонном фундаменте, оборудованы 5 контрольных отметок.
За период с июня по декабрь 2003 г. в конвейерном штреке отмечены вертикальная конвергенция породного контура, изменяющаяся от 5,0 мм до 18 мм, и горизонтальная конвергенция стенок выработки, изменяющаяся от 4,5 мм до 10,5 мм. Наибольшие смещения происходят в районе сопряжения ствола с горизонтальной выработкой. С увеличением расстояния от ствола смещения пород вокруг конвейерного штрека уменьшаются.
При наблюдаемых скоростях смещений приконтурных пород возможно трещинообра-зование в кровле выработки и «отжим» боковых стенок штрека, что косвенно подтверждается наличием трещин в крепи стенок выработки с раскрытием до 2 мм. Эти явления име-
Трест «Шахтспсялрой» Н><рн1м»>к( ШУ
Р)лник -Мн1с|жшмона.1ы<ий>
юрикип Ж(а.о. -380.4) м) М 1:100
Рис. 3. Конструкция сопряжения скипового ствола с камерами загрузочных устройств
• в некоторых областях приконтурного массива действуют растягивающие напряжения <г3 = 0,03 уН;
• интенсивность касательных напряжений Т достигает значений (0,4 0,8)уН и пре-
восходит предел длительной прочности пород на сдвиг Гю, а это означает, что процесс деформирования приконтурных соленосных пород во времени происходит в нелинейной области и носит незатухающий характер [6];
• комплекс околоствольных выработок оказывает существенное и, что наиболее значимо, неравномерное влияние на напряженное состояние пород, окружающих вертикальный ствол.
Особый интерес представляет результат геомеханических расчетов, который иллюстрируется на рис. 4, из которого видно, что наибольшие смещения приконтурных пород происходят в стенках конвейерного штрека, на его сопряжении со стволом. Отсюда и трещины в железобетонной крепи, и изогнутые балки.
Таким образом, на конкретном примере установлено, что негативное проявление горного давления в капитальных выработках рудника «Интернациональный» обусловлено
ют место и на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей.
Для установления причин негативного проявления горного давления в конвейерном штреке рудника «Интернациональный» на глубине Н = 801 м с применением метода конечных элементов (МКЭ) была решена в упругой пространственной постановке задача о напряженно-деформированном состоянии (НДС) пород в окрестности сопряжения скипового ствола с околоствольными выработками, форма и размеры которых приняты в соответствии с чертежом на рис. 3.
В геомеханических расчетах использованы данные об естественном поле напряжений, прочностных и деформационных показателях соленосных пород Чарской свиты, приведенные в [11, 12].
Из анализа результатов геомеханических расчетов следует, что
• коэффициенты концентрации наибольшего главного нормального напряжения в а\1уН угловых областях подземной конструкции (см. рис. 3) достигают значений 3,25 5,00
при уН = 20 МПа = <гсж;
• незатухающей во времени ползучестью соленосных пород;
• неблагоприятным напряженно-де-
формированным состоянием приконтурных пород;
• отсутствием специальных мероприятий по «разгрузке» приконтурных пород.
Следует далее сказать, что напряженно-деформированное состояние и устойчивость подземных сооружений зависят от целого ряда горно-геологических и горнотехнических факторов. Такие горнотехнические факторы как форма, размеры и местоположение околоствольных выработок, а также способ их охраны, вид и параметры крепи являются управляемыми и позволяют еще на стадии проектирования обеспечить долговременную устойчивость подземного сооружения.
При проектировании околоствольных выработок в соленосных породах Чарской свиты на строящемся руднике «Мир» следует на основе геомеханических расчетов выбрать
• рациональную форму;
• рациональное расположение относительно других выработок, в том числе, ствола;
Рис. 4. Распределение упругих (1=0) горизонтальных перемещении 6 районе сопряжения скипового
ствола на руднике «Интернациональный» с конвейерным штреком (Н=801 м): ось ОУ направлена перпендикулярно стенке конвейерного штрек
• рациональное расположение в геологическом разрезе и тем самым избежать высокой концентрации сжимающих напряжений и действия растягивающих напряжений в приконтурных породах.
Следует иметь в виду, что в соляных и соленосных породах сооружаемая крепь капитальных горных выработок должна «уступить» 80 ^ 90% смещений породного контура, обусловленных не затухающей во времени ползучестью соляных пород за счет
• технологии сооружения выработки и крепи;
• разгружающих элементов (податливого слоя; разгрузочных скважин, щелей, выработок...).
Параметры разгружающих элементов должны быть определены специальными геомеханическими расчетами на основе актуальных данных о свойствах и состоянии пород Чарской свиты, полученных в результате лабораторных и натурных экспериментов.
Следует специально рассмотреть вопрос о возможности применения в качестве крепи околоствольных выработок (если она вообще необходима.) анкеров контактного типа (винтовых, сталеполимерных.) с деде-роновой сеткой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Парфенов А.П., Гаркушин П.К. Об устойчивости стволов калийных рудников Прикарпатья // Шахт. стр-во. - 1981. - № 6.
2. Константинова С.А., Мисников В.А. О прогнозировании устойчивости околоствольных выработок // Шахт. стр-во. - 1982. - № 2.
3. Парфенов А.П., Гаркушин П.К. О сооружении околоствольных выработок на рудниках Калуш-Гольшанского месторождения калийных солей // Шахт. стр-во. - 1982. - № 3.
4. Константинова С.А. О причинах неудовлетворительного состояния приствольных выработок
Верхнекамских калийных рудников // Шахт. стр-во. -
1982. - № 9.
5. Ольховиков Ю.П., Ярушин А.Д. Уроки проектирования и эксплуатации стволов калийных рудников // Сб. науч. ст. - Пермь; Соликамск: ОАО «Галургия», 2002.
6. Боликов В.Е., Константинова С.А. Прогноз и обеспечение устойчивости капитальных горных выработок. - Екатеринбург: УрО РАН, 2003.
7. Константинова С.А. О работе бетонной крепи в соляных породах // Крепление, поддержание и охрана горных выработок. - Новосибирск: СО АН СССР,
1983.
8. Константинова С.А., Ольховиков Ю.П. О взаимодействии бетонной крепи ствола с соляными породами // Шахт. стр-во. - 1985. - № 4.
9. Охрана вертикальных стволов, сору-жаемых в породах, обладающих ползучестью / Ю.С. Обручев, С.И. Абашин, А.Д. Мишедченко, Н.К. Зво-нарев // Шахт. стр-во. - 1983. - № 9.
10. Геомеханические аспекты устойчивости горных выработок на калийном руднике «Пийло» / Б.Г. Тарасов, В.М. Глоба, П.К. Гаркушин, А.П. Парфенов // Шахт. стр-во. - 1989. - № 8.
11. Физико-механические свойства породных образцов Чарской свиты применительно к освоению подкарьерных запасов кимберлитовых
трубок «Интернациональная» и «Мир» / С.А. Константинова, Н.П. Крамсков, Н.С. Азанова, Т.Ю. Журавлева // Горн. информ.-аналит. бюл. - М.: Изд-во МГГУ, 2002. - № 10.
12. Механика соляных пород и массивов применительно к отработке подкарьерных запасов кимберлитовых месторождений России - Якутии / С.А. Константинова, С.А. Чернопазов, Н.С. Азанова и др. // Сб. науч. ст. - Пермь; Соликамск: ОАО «Галургия». - 2002.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------------------------
Константинова Светлана Александровна - доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией геоди-намической безопасности Уральского научно-исследовательского и проектного института галургии (ОАО «Галургия»), г. Пермь.
Крамсков Николай Петрович - кандидат технических наук, зам. директора по науке института «Якутнипро-алмаз», г. Мирный.
Филатов Александр Павлович - кандидат технических наук, главный горняк, зам. главного инженера по подземным и специальным работам АК «АЛРОСА», г. Мирный.
Сороченко Максим Константинович - инженер II кат. лаб. подземных горных работ института «Якутнипро-алмаз», г. Мирный.
------------------------------------- © С.В. Сергеев, А.Д. Мишедченко,
2004
УДК 622.283
С.В. Сергеев, А.Д. Мишедченко
ПРИЧИНЫ РАЗРУШЕНИЯ КРЕПИ СТВОЛОВ В СОЛЯНЫХ ПОРОДАХ
Семинар № 14
~П странах СНГ имеются свыше 100 ме--Я-М сторождений соляных отложений [1]. В начале глубина разработки была невелика и проявления горного давления, были незначительны. По этой причине шахтные стволы в соляном массиве либо не крепились, либо применялись ограждающие конструкции. С увеличением глубины распространение получила крепь из кирпича, бетона и тюбингов. В настоящее время широко применяется комбинированная крепь из чугунных тюбингов и слоя
бетона. Исследованиями [2] установлено, что при нагрузках 15-20 МПа соляные породы переходят из хрупкого к пластическому состоянию. То есть начиная с глубины свыше 300 м распределение напряжений в массиве становится близким к гидростатическому. Разрушение постоянной крепи стволов в соляных породах, вследствие ползучести массива, наблюдалось на многих рудниках [3]. Однако долговременных натурных исследований за этим явлением в стволах почти не проводились. Име-
