CC BY
54
132
НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ
Серия Естественные науки. 2015. № 9 (206). Выпуск 31
УДК 622.83
ОЦЕНКА СКЛОННОСТИ МАССИВА ПОРОД НА КМА К ГОРНЫМ УДАРАМ
ASSESSMENT OF ROCK MASS ADDICTION TO KMA TO ROCK BURSTS
С.В. Сергеев1, И.В. Синица2, В.Ф. Карякин3 S.V. Sergeev1, I.V. Sinitsa2, V.F. Karyakin3
1 Белгородский государственный университет, Россия, 308015, г. Белгород, ул. Победы, 85 2 ОАО «ВИОГЕМ», Россия, 308007, г. Белгород, ул. Б. Хмельницкого, 86 3 Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, Россия, 308012, г. Белгород,
ул. Костюкова, 46
1 Belgorod State National Research University, 85Pobeda St, 308015, Belgorod, Russia,
2 OAO “VIOGEM”, 86 B. Khmelnitsky St, Belgorod, 308007, Russia 3 V.G. Shukhov Belgorod State Technological University 46 Kostyukov St, Belgorod, 308012, Russia
E-mail: Sergeev@bsu.edu.ru
Ключевые слова: массив пород, деформации, напряжения, метод щелевой разгрузки.
Key words: rock mass, deformation, stress, method of discharge slit.
Аннотация. Изложена методика оценки склонности пород к горным ударам на месторождениях КМА. Приведены результаты измерения вертикальных и горизонтальных напряжений в кварцитах Михайловского месторождения в выработках дренажной шахты ГОКа. Измерения проводились методом щелевой разгрузки и методом определения напряжений на больших базах. Исследованиями установлено, что напряжения в массиве не превышают предельно-допускаемых. Поэтому массив пород в районе выработок дренажной шахты не относится к склонным к горным ударам.
Resume. The technique estimates the propensity to rock bursts in the fields of KMA. The results of measurements of the vertical and horizontal stresses in the quartzites of Mikhailovsky deposit in the workings of the mine drainage GOK. The measurements were performed by a slit discharge and method for determining stress on large databases. Research has shown that the stresses in the array does not exceed the maximum allowed. Therefore, an array of rocks in the workings of the mine drainage does not belong to prone to rock bursts.
Введение
В связи с увеличением глубины разработки железных руд на КМА до 500 м возникла необходимость оценки склонности массива пород и руд к горным ударам. Такие явления возникают в зонах литологических разновидностей пород, на участках складчатого залегания массива и местах сопряжений горных выработок. На КМА еще в 70-х годах прошлого века было установлено наличие горизонтальных тектонических напряжений в кварцитах шахты им. Губкина на глубинах 350 м [Казикаев, 1983].
Лабораторией горного давления и сдвижения горных пород ОАО «ВИОГЕМ» проведены измерения напряжений в кварцитах, на основе которых, выполнена оценка склонности их к горным ударам. Исследования проведены согласно [Федеральная служба ..., 2013, 2014].
Методы исследований
Для определений напряжений в массиве нами применялся метод щелевой разгрузки, который относится к геомеханическим методам. Этот метод применяется в крепких, упругих, слабо-трещиноватых породах и рудах, когда вблизи контура выработки не образуется зона неупругих деформаций. С помощью метода щелевой разгрузки определяют напряжения в борту подготовительной выработки: вертикальные (00), действующие вдоль контура выработки, и горизонтальные (Оу) действующие вдоль оси выработки.
Метод щелевой разгрузки основан на измерении деформаций массива, возникающих при создании в нем полости в виде щели продолговатой формы. Измерения абсолютных деформаций производились механическим тензометром конструкции ЦНИИС, с точностью до
0.01 мм. Схемы определений деформаций приведены на рисунке 1.
133
НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ
Серия Естественные науки. 2015. № 9 (206). Выпуск 31
б) Схема разгрузки массиВа для определения Вертикальных напряжений Рис. 1. Схемы расположения маяков для щелевой разгрузки Fig. 1. Layout beacons to discharge slit
Расчет напряжений о по измеренным на контуре выработки деформациям, выполняется по формуле [Блох, 1994]:
ДЬЕти
0 _ 8R-Ln(l-kl+vk2) (-q
где AL - сближение реперов после образования разгрузочной щели на базе измерения деформаций L (расстояние между реперами), см; E - модуль упругости, МПа; v - коэффициент Пуассона; R - радиус щели, см; ki, k2 - коэффициенты концентрации напряжений в направлении перпендикулярно и параллельно щели.
При невозможности выполнения щелевой разгрузки из-за слоистости или трещиноватости массива применяется метод разгрузки массива на больших базах. При этом закладка реперов для измерения величины конвергенции осуществлялся в период обуривания забоя выработки. Для этого по линии сопряжения стенки с забоем бурились 3 шпура диаметром 40 мм глубиной 1 м под углом 45° к стенке выработки, в них закреплялись круглые металлические анкера соответствующей длины и диаметра (рис. 2).
Fig. 2. Scheme for measuring deformations in large databases
Первый цикл измерения расстояний между реперами Hi = (Si; S2; S3). Второй цикл измерений Н2 = (Si'; S2'; S3) производились после взрыва и уборки скоплений горной породы. По разностям величины Н1-Н2 были определены величины конвергенции стенок выработки (ASi; AS2; AS3). Измерения выполнялись несколько раз в процессе отхода забоя на расстояние 2-х диаметров выработки от замерной станции.
134
НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ
Серия Естественные науки. 2015. № 9 (206). Выпуск 31
Расчет напряжений по измеряемым деформациям на большой базе выполнялись по формулам [Казикаев, 1983]:
для максимальных напряжений:
(2)
L J, (3)
0 s0 s0
где: Sl , S21, S3 - относительные деформации разгрузки массива по профилям Si'; S2'; S3.
Результаты исследований
Определение напряжений методом щелевой разгрузки проводились в околоствольной выработке наклонного ствола на горизонте - 225 м. Здесь на стенках выработки были выбраны участки с ровной поверхностью и были установлены репера для измерения горизонтальных и вертикальных деформаций (рис. 3, 4).
По результатам проведенных наблюдений получены следующие результаты: горизонтальные деформации разгрузки в среднем составили - 0.20 мм, а вертикальная в среднем -0.76 мм.
Расчеты вертикальных и горизонтальных напряжений выполнялись по [Казикаев, 1983], при следующих исходных данных:
1) абсолютные деформации: ДЬ=0.02 см (горизонтальные); ДЬ=0.07бсм (вертикальные);
2) модуль упругости: E=83700 МПа, коэффициента Пуассона д=0.23 (по данным ВИОГЕМ);
ст = E ■
+ sL + £S,) 1
* С I О С I О с S1 S21 S3 •
3(1 -и) +1 +и^
0 , 0
£° - S1
Sv + £c + £c
Si S^ i S
0 V
21 S3
+
rs0 -S°y
CS, CS,
V3
для минимальных напряжений:
ct ■ = E ■
(< + £S21 + £S3 ) 1
3(1 - и) 1 + и\
< -
0 . 0 . 0 V
S1 S21 S3
+
V -£0 V
£S1 £s2
•Л
3
3
Рис. 3. Измерение горизонтальных деформаций механическим тензометром
после разгрузки массива
Fig. 3. Measurement of mechanical strain gauge horizontal deformation after unloading array
135
НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ
Серия Естественные науки. 2015. № 9 (206). Выпуск 31
Рис. 4. Общий вид горизонтальной щели для определения вертикальной деформации
разгрузки
Fig. 4. A general view of a horizontal slit to determine the vertical deformation of discharge
3) геометрические параметры необходимые для расчета R=30 см; L=30 см;
4) коэффициенты учитывающие концентрацию напряжения в массиве, согласно [Влох, 1994]: ki=0, k2=0.i.
Расчет горизонтальных напряжений в стенке выработки:
0.020*83700*3.14
Ог =
8*30 - 30*3.14(1 - 0 + 0.23* 0.1) „ ЛТТТ
v ' = 34.8 МПа
Расчет вертикальных напряжений в стенке выработки:
0.076*83700*3.14
Ов =
_ 8*30 - 30*3.14(1 - 0 + 0.23*0.1) _
= 132.4 МПа
Анализ результатов показывает, что максимальное значение напряжений имеет направление близкое к вертикальной оси выработки. То есть вертикальные и горизонтальные напряжения являются главными.
Полученные значения напряжений меньше чем предел прочности на сжатие: о = 186 МПа для железистых кварцитов. Определим отношение горизонтальных и вертикальных напряжений к пределу прочности на сжатие.
355 кгс/см2
Огор / Осж = 1860 кгс/см2
1350 кгс/см 2
0.19;
Овер / Осж = 1860 кгс/см 2 0.73;
Это соотношение не превышает значения 0.8, что, свидетельствует об отсутствии склонности пород на исследуемом участке к горным ударам.
Определение напряжений массива по измеренным деформациям на больших базах проводилось в забое выработки отстойника №2. Здесь массив пород характеризуется слоистым залеганием, при котором метод щелевой разгрузки применить невозможно. Для измерений на контуре забоя по треугольной сетке были установлены три репера из стальных стержней диаметром 36 мм и длиной 0.9 м. Схема расположения реперов показана на рис. 5.
Измерение расстояния на базах между реперами выполнялось маркшейдерами дренажной шахты с помощью электронного тахометра и маркшейдерской рулетки.
136
НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ
Серия Естественные науки. 2015. № 9 (206). Выпуск 31
Рис. 5. Схема расположения реперов в забое выработки Fig. 5. Layout of frames in the working face
Расстояние между реперами до взрыва: Si=2.447 м; 82=2.972 м; 83=3.209 м.
По измеренным значениям абсолютных деформаций ASi=0.003 м; AS2=0.002 м; AS3=0.001 м, определены соответствующие им относительные деформации массива после разгрузки на большой базе.
0 = ASl = 0.003 = 0.00123
< =
< =
51
as2
52
as,
2.447 0.002 ' 2.972 0.001
S 3.209
= 0.00067
= 0.00031
Определение основных компонентов напряжений по измеренным деформациям выполнялись по (2) и (3) с использованием модуля упругости слоистого массива порол E=42500 МПа и коэффициента Пуассона ^=0,23:
^ = 425 х 102
(0.00031 + 0.00123 + 0.00067) 1
3(1 - 0.23)
1 + 0.23
1
0.00031 -
0.00031 + 0.00123 + 0.00067
3
(
+
0.00123 - 0.00067
л/3
= 425 х 102
=71.9 МПа
(0.00031 + 0.00123 + 0.00067) 1
3(1 - 0.23)
1 + 0.23
0.00031 - 0 00031 + 000123 + 0 00067 , +
=11.4 МПа
2 0.00123 - 0.00067 2
V3
х
2
х
х
В результате расчета получены:
- вертикальные напряжения в массиве 71.9 МПа;
- горизонтальные напряжения в массиве 11.4 МПа.
Заключение
Выполненные исследования напряженно-деформированного состояния железистых кварцитов Михайловского месторождения позволяют сделать следующие выводы:
1. Массивы железистых кварцитов на наблюдаемых участках не относятся к склонным по горным ударам, поскольку:
137
НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ
Серия Естественные науки. 2015. № 9 (206). Выпуск 31
а) выполняется условие, приведенное в [Федеральная служба ..., 2014], согласно которого соотношение оГОр / Осж не превышает 0.8. В нашем случае: для вертикальных напряжений это соотношение - 0.73, а для горизонтальных - 0.19.
б) горизонтальные напряжения в массиве в четыре раза меньше, чем вертикальные: Огор=355 кгс/см2 и Ов=1350 кгс/см2. Это свидетельствует об отсутствии тектонических напряжений.
2. Аналогичные исследования необходимо проводить и на других горных предприятиях
КМА.
Список литературы References
1. Влох Н.П. 1994- Управление горным давлением на подземных рудниках. М., Изд-во «Недра», 208.
Vloh N.P. 1994- Upravlenie gornym davleniem na podzemnyh rudnikah [Management of rock pressure in underground mines]. Moscow, Izd-vo «Nedra», 208. (in Russian)
2. Казикаев Д.М. 1983. Геомеханические процессы при совместной и повторной разработке руд. М., Издательство «Недра», 288.
Kazikaev D.M. 1983. Geomehanicheskie processy pri sovmestnoj i povtornoj razrabotke rud [Geomechanical processes at the joint and re-development ore]. Moscow, Izd-vo “Nedra”, 288.
3. Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору. 2013. Приказ №216 от 23.05.2013 г. об утверждении «Методических рекомендаций по оценке склонности рудных и нерудных месторождений к горным ударам».
Federal'naja sluzhba po jekologicheskomu, tehnologicheskomu i atomnomu nadzoru [Rostekhnadzor].
2013. Order №216 from 23.05.2013, on approving the “Guidelines on the assessment inclination of metallic and nonmetallic deposits to rock bursts”.
4. Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору. 2014. Приказ №576 от 02.12.2013 г. об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Положение по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам».
Federal'naja sluzhba po jekologicheskomu, tehnologicheskomu i atomnomu nadzoru [Rostekhnadzor].
2014. Order №576 from 12.02.2013 on Approval of Federal Regulations in the field of industrial safety “Regulations for the safe conduct of mining operations at the fields, prone and dangerous impact on the mountain”.
