CC BY
54
© В.Е. Беликов, 2003
УЛК 622.257.12 + 622.281
В.Е. Боликов
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК НА РУЛНЫХ ШАХТАХ
Современные проблемы в области расчета крепи и прогнозирования устойчивости капитальных выработок при подземной разработке рудных месторождений обусловлены необходимостью принятия генеральных решений по охране сооружений в процессе строительства и эксплуатации на стадии проектирования рудника или горизонта.
В этот период необходимо выбрать место под промплощадку шахты, где закладываются основные капитальные сооружения, в том числе стволы, обеспечивающие работу подземных рудников на весь период эксплуатации. Существующие в настоящее время нормативные документы по проектированию горных предприятий не позволяют учесть все факторы, которые возникают на достигнутых глубинах.
Важным звеном на стадии строительства подземных рудников является сооружение камерных выработок на горизонте и в районе стволов. Объем камерных выработок на подземных рудниках, отрабатываемых системами с массовой отбойкой руды, особенно велик и составляет от 3000 до 5000 м3 на 1 млн.т годовой добычи.
На отечественных и зарубежных рудниках широко распространены системы с массовой отбойкой руды скважинными зарядами. На железорудных шахтах Урала и Сибири доля систем с массовой отбойкой руды (этажное принудительное обрушение, этажно-камерная система) составляет 85-90 %. Основной особенностью месторождений, отрабатываемых данными системами, является образование зон обрушения с выходом на поверхность.
В общем объеме камерных выработок на основных горизонтах, выработки дробильно-сортировочного комплекса составляют
55-60 %. Сложность сооружения данных комплексов заключается в том, что располагаются они недалеко от стволов, а дозаторная камера сопряжена со скиповым стволом. Так же ответственным звеном строительства шахт являются горизонтальные выработки, которые составляют основную транспортную артерию. Одной из характерных особенностей современного подземного и в особенности шахтного строительства является значительное усложнение горно-геологических условий при вскрытии глубоких горизонтов. Понятие глубоких горизонтов точнее можно заменить уровнем напряжений в горном массиве на достигнутой глубине вскрытия.
В условиях тектонического поля напряжений на подземных рудниках величина горизонтальных напряжений в 1,5-2,0 раза превышает вертикальные.
Обеспечение устойчивости выработок в процессе проходки и эксплуатации при таком уровне напряжений является довольно сложной задачей. Необходимо применение специальных мер по снижению напряжений в крепи.
Установлено, что основными причинами разрушения крепи стволов являются:
- расположение стволов без учета оценки тектонических нарушений в пределах промпло-шадки рудника;
- не учитывалось влияние очистных работ, в результате чего возникает перераспределение напряжений в массиве горных пород и изменение напряжений в крепи;
- влияние других выработок, сопряженных со стволом, в результата чего возникает дополнительная концентрация напряжений в крепи ствола;
- принятая необоснованная технология проходки ствола.
Установленные причины разрушения крепи стволов в процессе строительства и эксплуатации в полной мере относятся и к другим капитальным выработкам. Поэтому в Институте горного деда УрО РАН выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований с целью установления закономерностей формирования напряжений в крепи капитальных выработок и разработке технических мероприятий, обеспечивающих устойчивость капитальных выработок на полный срок их эксплуатации.[1]
Количественная оценка влияния тектонических нарушений на устойчивость стволов и других капитальных выработок ранее производилась только о учетом первоначального поля напряжений [2].
Разработанная нами методика позволяет производить оценку стабильности тектонических нарушений в процессе строительства и эксплуатации месторождения. Методика позволяет рассмотреть все существующие тектонические нарушения в пределах промплошадки шахты в динамике, т. е. установления их стабильности на любом этапе отработки месторождения.
Установлено, что параметры вторичного поля напряжений, обусловленного ведением очистных работ, зависят от соотношения главных нормальных напряжений, действующих до начала разработки месторождения. Как установлено на С-Песчанском месторождении, максимальный уровень вторичного поля на контуре выработанного пространства в 3-4 раза превышает максимальные напряжения, действующих в нетронутом массиве.
Закономерности формирования нагрузки в крепи стволов шахт исследовались в стволах шахт Урала. Исследованиями установлено, что под воздействием первоначальных напряжений в массиве горных пород при проходке стволов по совмещенной схеме стенки стволов деформируются неравномерно: макси-
мальные деформации происходят на расстоянии, равном 2, 5-3 диаметра ствола.
По периметру ствола напряжения распределяются неравно-
мерно, существуют минимальные и максимальные напряжения, азимут которых хорошо согласуется с направлением главных нормальных напряжений, действующих в массиве горных пород.
Необходимо отметить, что большинство аварий и деформаций крепи происходит при рассечке сопряжений стволов с горизонтом или с камерами. Анализ состояния крепи сопряжений ствола с горизонтом показывает, что разрушение бетонной крепи и чугунных тюбингов при проходке происходит с определенной закономерностью. Максимальное разрушение тюбингов в стволе происходит в направлении, перпендикулярном действию максимальных напряжений в массива горных пород.
Анализ результатов измерений напряжений в процессе поэтапной проходки сопряжений показывает, что образование двухсторонней рассечки сопряжения ствола с горизонтом приводит к повышению концентрации горизонтальных напряжений в 1,5-1,8 раза и вертикальных растягивающих в 2,0 раза. Увеличение горизонтальных и вертикальных напряжений в районе сопряжения вызвано прогибом крепи в разомкнутой части сопряжения и образованием зоны разрушения пород в кровле сопряжения на высоту, равную 2-м высотам сопряжения. Влияние горизонтальной части сопряжения на крепь ствола достигает 1,5 диаметра ствола.
Закономерности формирования напряжений на поверхности обнажения камер получены на примере камеры дробления с помощью математического моделирования. Рассмотрен типовой способ 6-этапной послойной проходки сверху вниз камеры дробления с размерами: ширина -10, высота - 18,5 и длина - 28 м,
В результате моделирования установлено, что наиболее нагруженными участками оказываются: в поперечном вертикальном сечении - центр свода выработки, в горизонтальном - верхняя часть торца камеры со стороны ствола. Это подтверждает характер разрушения крепи камер в натурных условиях на горнорудных предприятиях.
При переходе проходки камеры с первого этапа на второй, от кругового сечения на эллипсовидный, происходит снижение концентрации напряжений в своде выработки и в дальнейшем происходит рост концентрации напряжений на всех других этапах. Чем больше по величине горизонтальное напряжение поперек камеры, тем выше коэффициент концентрации напряжений в центре свода.
По результатам математического моделирования получены закономерности, которые позволяют на стадии проектирования камеры дробления определить напряжения на контуре выработки на любом этапе проходки.
Для оценки устойчивости массива пород вокруг камерных и горизонтальных выработок, сооружаемых в скальном, блочном, тектонически напряженном горном массиве, разработана специальная методика, позволяющая определить размер зоны разрушения пород вокруг выработок с учетом структурных свойств и напряженного состояния горного массива.
На основании математического моделирования исследовано влияние структурных свойств, напряженного состояния массива горных пород и размера выработки на размер зоны разрушения пород вокруг горизонтальных выработок.
Проведенный комплекс исследований на стволах, горизонтальных выработках и камерах показывает, чтобы обеспечить их устойчивость в процессе строительства и эксплуатации необходимо идти по пути повышения несущей способности крепи на достигнутых глубинах разработки. Но данным способом, например, в условиях шахты Южная Гороблагодатского рудоуправле -ния добились, что уровень напряжений в мощной крепи (чугунные тюбинги с толщиной спинки 60 мм и монолитный бетон класса Б-3О толщиной 300 мм в закрепном пространстве) довольно высокий и близок к уровню предела прочности материала крепи.
Для того, чтобы обеспечить уровень напряжений в крепи в
пределах расчетных величин и снизить затраты на проведение и кропление капитальных выработок, что особенно необходимо в условиях хозрасчетных отношений, на горнорудных предприятиях необходимо использовать способы и средства по управлению напряженно-деформированным состоянием горного массива и крепи.
К комплексу средств и способов управления напряженно-деформированным состоянием массива горных пород, обеспечивающим расчетные напряжения в крепи и обеспечивающих устойчивость стволов и их сопряжений в процессе проходки и крепления, относятся:
1. Самым надежным и гарантированным способом снижения напряжений в постоянной крепи стволов, проходимых в скальном блочном массиве, является проведение их по параллельной схеме. При данной схеме проходки всю деформацию массива воспринимает на себя временная крепь, а постоянная с отставанием 2,5-3,0 диаметра ствола практически остается незагруженной.
2. Переход на комбинированную систему проходки с отставанием крепи от забоя до 6 м, что позволяет на 70% снизить уровень напряжений в крепи.
3. Применение приемлемых вариантов конструкции крепи, защищенной от воздействия высоких, неравномерных нагрузок, работающей с определенным деформационным запасом в виде элементов податливости. Причем, податливость конструкции должна сочетаться со стабильностью сечения ствола в процессе эксплуатации. Следовательно, конструктивная система крепи ствола должна сочетать жесткие элементы, обеспечивающие стабильность внутреннего диаметра ствола и податливые элементы, защищающие жесткую часть от внешней деформации.
Самым простым вариантом, обеспечивающим деформационный запас, может служить податливое закрепное пространство. Размеры податливости должны быть такими, чтобы при установленных нагрузках на крепь деформации закрепного пространства компенсировали де-
формацию массива. Применение податливого закрепного пространства позволяет снизить напряжения в тюбингах в 2 раза.
В Институте горного дела разработаны составы для податливого закрепного пространства па основе керамзитобетона.
Для управления напряженно-деформированным состоянием при рассечке сопряжения ствола с горизонтальной выработкой на горизонте необходимо:
1. Снижение величины деформации приконтурного массива в кровле сопряжения с целью исключения расслоения массива в районе сопряжения, что позволяет снизить величину растягивающих вертикальных напряжений в крепи.
2 Создание замкнутой крепи в горизонтальной части сопряжения для сокращения деформации крепи ствола и снижения концентрации напряжений в кровле и почве сопряжения.
Для обеспечения указанных мероприятий при проходке сопряжений применяется опережающая штанговая крепь и конструкция крепи узла перехода от вертикальной части сопряжения к горизонтальной.
Кроме того, в целом можно управлять напряженно-деформированным состоянием комплекса выработок промплощадку шахты с помощью порядка отработки месторождения. Данное мероприятие было проверено при эксплуатации шахты С-Песчанская Богословского рудоуправления. [3]
Вопросы управления напряженно-деформированным состоя-
нием окружающих пород, т. е. приконтурного массива горизонтальных и камерных выработок, с целью снижения напряжений должны решаться на стадии проектирования рудника или горизонта. Одним из наиболее эффективных способов снижения напряжений в приконтурном массиве данных выработок, проходимых в тектонически активных районах, где горизонтальные напряжения в 1,52,0 раза превышают вертикальные, является переход от выработок сводчатых к эллипсовидной форме поперечного сечения. То есть, добиваясь изменения соотношения длины к высоте выработки, можно получить, что в кровле выработки будет отсутствовать зона разрушения пород.
В Институте горного дела УрО РАН разработана методика расчета поперечного сечения эллипсовидных форм выработок и камер с учетом фактического напряженного состояния массива.
Большой объем капитальных выработок на рудниках крепится жесткими поддерживающими видами крепи. С понижением глубины горных работ и увеличивающимся горным давлением область применения таких видов крепи становится небольшой из-за их разрушения. Все явления разрушения крепи происходят от неравномерной нагрузки на крепь, передаваемой горным массивом. Одним из путей решения данной проблемы является применение податливого закрепного пространства. В принципе это общеизвестное мероприятие, но применение его сдерживается
из-за отсутствия надежных там-понажных составов. Основные требования, предъявляемые к подборке тампонажных составов, состоят в следующем:
• полнота заполнения закрепного пространства;
• для приготовления их использовать местные строительные материалы или отходы производства.
Полнота заполнения закрепного пространства может быть достигнута, если тампонажный состав обладает расширяющимися свойствами. Поэтому ИГД УрО РАН разработаны расширяющиеся тампонажные составы при их твердении: фосфогипсовый, цементно-песчаный и безцементный.
Разработана технология тампонажного закрепного пространства капитальных выработок расширяющимися составами с использованием передвижных смесителей.
Таким образом, проведенный комплекс исследований Институтом горного дела УрО РАН, позволил разработать теоретические, методические положения и технические мероприятия по управлению напряженно-деформированным состоянием массива горных пород с целью обеспечения устойчивости комплекса капитальных выработок. Основной особенностью всех исследований является использование при расчетах параметров крепи и выборе мест расположения выработок первоначального напряженного состояния с учетом влияния воздействия очистных работ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Боликов В.Е. Обеспечение устойчивости шахтных стволов в процессе строительства и эксплуатации в сложных горно-геологических условиях. // Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных горно-геологических условиях: Докл. Междунар. Конфер. 20 - 24 мая 1991. - Белгород, 1991, т.2, с. 95 -104.
2. Батугина И.М, Петухов И.М. Геодинамическое
районирование месторождений при проектировании и эксплуатации рудников. - М.: Недра, 1988,166с.
3. Сашурин А.Д. Управление сдвижением массива
горных пород на основе экспериментальных данных о первоначальных напряжениях. // Геомеханическая интерпретация результатов натурного эксперимента. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1983, с. 17 - 21.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Болпков Владимир Егорович - доктор технических наук, главный научный сотрудник, ИГД УрО РАН.
Файл:
Каталог:
Шаблон:
І^сЬш Заголовок: Содержание:
Автор:
Ключевые слова: Заметки:
Дата создания:
Число сохранений: 5
БОЛИКОВ
0:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\01АБ6 03
С:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Norma
УДК
Усанов С.В.
15.05.2003 11:36:00
Дата сохранения: Сохранил:
15.05.2003 11:46:00 Гитис Л.Х.
Полное время правки: 10 мин.
Дата печати: 08.11.2008 22:28:00
При последней печати страниц: 3
слов: 2 216 (прибл.)
знаков: 12 635 (прибл.)
