авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Геомеханическое обоснование устойчивости параллельных взаимовлияющих горизонтальных выработок в рудном массиве

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

АНТОНОВ Юрий Николаевич

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЗАИМОВЛИЯЮЩИХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В РУДНОМ МАССИВЕ

Специальность 25.00.20 Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ- Петербург

2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Юрий Никифорович Огородников

Официальные оппоненты:

доктор технических наук

Мурат Газизович Мустафин

кандидат технических наук

Михаил Олегович Лебедев

Ведущее предприятие ОАО «Гипроруда»

Защита диссертации состоится 05 июня 2009 г. в 13 ч 15 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06. в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. № 1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета).

Автореферат разослан 27 апреля 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор Э.И. Богуславский

Актуальность работы.

Яковлевское железорудное месторождение является уникальным по запасам богатой руды и сложности геологических, гидрогеологических и горнотехнических условий.

Мощная залежь наклонного, почти крутого залегания, представленная более чем на 50% рыхлыми рудами, перекрыты породной толщей мощностью более 500 м. В покрывающих породах выделяют семь водоносных горизонтов с напором до 400 м. Залежь богатых руд на участке первоочередной отработки дренирована сетью транспортно-дренажных ортов и дренажных скважин. Осадки покрывающей рудной толщи и пород карбона с образованием водопроводящих трещин, которые могут стать причиной прорывов воды в горные выработки при строительстве перекрытия и ведении очистных работ, недопустимы. Необходимость сохранения водозащитных свойств покрывающей рудной и породной толщи обуславливает высокие требования к ведению подготовительных, очистных и закладочных работ.

Значительный вклад в исследование устойчивости выработок и определения параметров НДС вмещающего массива и в целиках между выработками внесли: Н.С. Булычев, А.Н. Козлов, А.Г. Протосеня, О.В. Тимофеев, Ю.Н. Огородников, Н.Г. Савин, В.С.Сажин, Н.Н. Фотиева, И.В. Баклашов, Б.А. Картозия, И.Е. Долгий, О.В. Ковалев, К.В. Руппенейт, В.Л. Трушко, В.М. Шик, Л.А. Галин, Д.Д.Ивлев, В.М. Мирсалимов, П.И. Перлин, и другие.

Однако при строительстве защитных перекрытий при отработке слабых руд в сложных горно-геологических условиях возникают сложности с устойчивостью разделительных целиков и креплением близкорасположенных взаимовлияющих выработок. Определение безопасных параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) целиков в массиве при различном порядке проведения и закладки параллельных выработок, пройденных буровзрывным и комбайновым способами, является задачей, актуальной для эффективной разработки Яковлевского и аналогичных по гидрогеологическим и горнотехническим условиям месторождений.

Цель диссертационной работы: обеспечение устойчивости выработок и несущей способности разделительных целиков при проведении параллельных взаимовлияющих выработок в массиве слабых и средней крепости руд на участке первоочередной отработки Яковлевского рудника.

Основные задачи исследования:

- натурные наблюдения за состоянием вмещающего массива и устойчивостью одиночных и взаимовлияющих выработок в шахтных условиях;

- исследования прочностных свойств слабых и средней крепости руд на образцах неправильной формы;

- разработка конечноэлементной модели и выявление закономерностей изменения параметров полей напряжений, смещений и деформаций рудного массива при различном взаимном расположении, очередности проведения и качестве закладки параллельных выработок;

- разработка методики расчета нагрузок и выбор параметров крепи параллельных взаимовлияющих выработок.

Идея работы: С целью сохранения несущей способности рудных целиков и устойчивости взаимовлияющих выработок в массиве слабых руд следует обеспечить условия перераспределения давления рудной потолочины с рудных целиков на искусственные, путем применения рационального порядка, технологии проведения и закладки выработок, повышения качества их оконтуривания и крепления, с учетом особенностей деформирования рудного массива при предельном нагружении.

Методы исследований. Принята комплексная методика исследований, включающая:

- обследование параллельных взаимовлияющих выработок;

- шахтные наблюдения за смещениями и вывалами рудного массива по трассе выработок;

- определение параметров паспорта прочности руд в лабораторных условиях на образцах неправильной формы;

- математическое моделирование напряженно-деформированного состояния рудного массива, вмещающего параллельные взаимовлияющие выработки.

Научная новизна работы:

- установлены закономерности изменения несущей способности разделительных целиков между выработками в зависимости от их ширины, технологии проведения, качества оконтуривания и заполнения закрепного пространства выработок; а также в сокращении эффективной ширины целиков за счет отжима руды в боках целиков;

- выявлены зависимости развития зон предельного состояния в кровле параллельных взаимовлияющих выработок от порядка их проведения относительно закладочного массива и величины переборов руды за крепью, что послужило основой разработанной методика прогнозирования нагрузок на крепь.

Защищаемые положения:

1. В железнослюдково-мартитовых и мартитовых рыхлых рудах вертикальные напряжения в целике шириной в один пролет параллельных выработок в 1,6 – 2,0 раза превышают фоновые. В центре целиков шириной в 2 и 3 пролета коэффициент концентрации напряжений соответственно уменьшается до 1,2 – 1,3 и 1,1 – 1,15. За счет зон отжима и предельного состояния эффективная ширина и несущая способность целиков в рыхлых рудах снижаются на 30 – 35, 15 – 18 и 8 – 12 %.

2. Размеры зон предельного состояния в кровле выработок, пройденных вприсечку к бетонной закладке при последовательном порядке строительства защитного перекрытия увеличиваются пропорционально величине подработанного пространства и стабилизируются на уровне, зависящем от величины недозаклада; при недозакладе 0,3 м и более рост зон предельного состояния прекращается после проходки и закладки 8 – 9 выработок.

3. В рыхлых рудах нагрузку на крепь выработок первой очереди следует определять по объему отслоившейся от массива руды, который зависит от способа проходки и пустот в закрепном пространстве; в выработках второй очереди, с учетом увеличения мощности зон возможного обрушения, нагрузка на крепь в 1,5 – 2,0 раза больше, за счет пустот и обрушений в кровле смежных выработок.

Практическая значимость работы:

- разработана методика прогнозирования и расчета нагрузок на крепь параллельных взаимовлияющих выработок при различном порядке и технологии их проведения в условиях Яковлевского рудника;

- обоснованы рациональные виды и параметры крепей при различном порядке проведения параллельных выработок;

- разработана конструкция металлической крепи для выработок, пройденных вприсечку к бетонному массиву (заявка «Металлическая крепь с консолью» №2008123353, приоритет от 09.06.2008)

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций: подтверждается значительным объемом экспериментальных натурных наблюдений за состоянием взаимовлияющих параллельных выработок; моделированием напряженно-деформированного состояния (НДС) массива, вмещающего параллельные выработки, при различном порядке проведения с учетом нелинейных свойств массива, методом конечных элементов; сходимостью полученных на моделях величин осадки покрывной толщи со смещениями глубинных реперов, измеренными маркшейдерской службой рудника в натурных условиях.

Апробация диссертации: содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на Международном форме молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург 2008 г.); ежегодных конференциях молодых ученых и студентов СПГГИ (ТУ) им. Г.В. Плеханова “Полезные ископаемые России и их освоение” (Санкт-Петербург, 2007, 2008 г.г.).

Личный вклад автора заключается: в сборе натурных данных по объекту исследования, обработке результатов обследования, создании конечно-элементной модели с учетом нелинейных свойств массива для исследования формирования полей напряжений вокруг взаимовлияющих параллельных выработок, анализе полученных результатов и сопоставлении их с натурными данными, выполнении экспериментов и разработке практических рекомендаций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ в вузовских и межвузовских сборниках научных трудов, из них 2 работы в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ. Подана заявка на патент РФ «Металлическая крепь с консолью» для крепления параллельных выработок, проведенных вприсечку (в соавторстве с О.В. Тимофеевым и Р.И. Ларионовым)

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 205 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, 3 приложения, список использованной литературы из 75 именований, 106 рисунков и 54 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 выполнен анализ горно-геологических и гидрогеологических условий Яковлевского железорудного месторождения, методов расчета рудной потолочины и оценки устойчивости обнажений. Сформулированы цель и задачи исследований.

В главе 2 приведены результаты натурных наблюдений за состоянием параллельных взаимовлияющих выработок. Измерены величины переборов и недозаклада в кровле выработок. На образцах неправильной формы определены прочность руд различного типа при растяжении и сжатии.

В главе 3 представлены результаты моделирования НДС массива, вмещающего параллельные взаимовлияющие выработки при различном порядке их проведения и величине недозаклада.

В главе 4 разработана методика расчета нагрузок на крепь взаимовлияющих параллельных выработок в слабом рудном массиве. Даны рекомендации по выбору рациональных типов и параметров крепи.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. В железнослюдково-мартитовых и мартитовых рыхлых рудах вертикальные напряжения в целике шириной равной одному пролету выработок в 1,6 2,0 раза превышают фоновые. В центре целиков шириной в 2 и 3 пролета коэффициент концентрации напряжений соответственно уменьшается до 1,2 1,3 и 1,1 1,15. За счет зон отжима и предельного состояния эффективная ширина и несущая способность целиков в рыхлых рудах снижаются на 30 -35, 15 18 и 8 12 %

Исследование НДС, вмещающего параллельные выработки, представляет сложную геомеханическую задачу, не имеющую точного аналитического решения. С целью оценки НДС массива и зон неупругих деформаций (ЗНД) вокруг параллельных выработок, создано несколько плоских и пространственных нелинейных конечноэлементных моделей. Рудный массив заменялся нелинейно-деформируемой средой, с физико-механическими характеристиками мартит-железнослюдковой, рыхлой руды: модулем деформации 0,5104 МПа, коэффициентом Пуассона 0,25; закладочного материала: 2,1104 МПа, 0,25. Для реализации нелинейного характера деформирования массива использовано условие Кулона-Мора с показателями свойств богатых железных руд (БЖР) – сцеплением 3,6 МПа и углом внутреннего трения 250. Естественное напряженно-деформированное состояние массива задавалось вертикальными напряжениями 8 МПа, приложенными к верхней грани конечно-элементной модели. Моделировался различный порядок проведения и закладки выработок с оставлением разделительных целиков различной ширины, равной одному, двум и трем пролетам выработки (4,9; 9,8; 14,7 метров).

Результаты моделирования выявили следующие закономерности. Между параллельными выработками в целике, шириной в один пролет (4,9 метров) вертикальные напряжения в 1,6 – 2,0 раза превышают фоновые (рис. 1, а). При этом зона отжима в боках выработок составляет 0,9 – 1,15 м (рис. 1, б). Следовательно, эффективная несущая способность целика шириной в один пролет в рыхлых рудах уменьшается на 30 – 35 %.

В центре целиков шириной в 2 и 3 пролета (9,8 и 14,7 метров) коэффициент концентрации напряжений соответственно уменьшается до 1,2 – 1,3 (рис. 2, а) и 1,1 – 1,15. Зона отжима уменьшает эффективную ширину целика между выработками на 15 – 18 (рис. 2, б) и 8 – 12%. Результаты согласуются с данными натурных наблюдений за состоянием параллельных взаимовлияющих выработок.

Предел прочности на сжатие рыхлой железнослюдково-мартитовой (ЖСМ) и мартит-гидрогематитовой (МГГ) руды, по испытаниям, выполненным соискателем в научном центре СПГГИ (ТУ) на образцах произвольной формы, находится в пределах: ЖСМ 1,7 – 4,8 МПа, МГГ 5,3 – 16,3 МПа (табл. 1). Результаты испытаний, по сопоставлению с данными, полученными ранее по другим методикам (методом сверления; испытаниями уплотненных образцов), занимают промежуточное положение.

 Коэффициент концентрации напряжений (а) и зоны деформаций (б) в целике шириной в-1

Рис. 1. Коэффициент концентрации напряжений (а) и зоны деформаций (б) в целике шириной в один пролет выработки: 1 – зона разрушенной породы; 2 – зона пластических деформаций; 3 – упругая область.

 Коэффициент концентрации напряжений (а) и зоны деформаций (б) в целике шириной в-3

Рис. 2. Коэффициент концентрации напряжений (а) и зоны деформаций (б) в целике шириной в два пролета выработки: 1 – зона разрушенной породы; 2 – зона пластических деформаций; 3 – упругая область.

Таблица 1

Прочностные свойства богатых железных руд Яковлевского

месторождения

Наименование руд Предел прочности Угол внутреннего трения, градус Сцепление, МПа
при одноосном сжатии, МПа при одноосном растяжении, МПа
Метод разрушения сферическими инденторами
Руда богатая железнослюдково-мартитовая и мартитовая Проба 1 1,52-1,9 1,71 0,07-0,19 0,13 22-31о 26о 0,47-0,59 0,53
Проба 2 4,36-5,2 4,78 0,29-0,56 0,42 21-27о 24о 1,35-1,8 1,57
Руда мартит-гидрогематитовая Проба 1 4,32-6,26 5,29 0,45-0,85 0,65 16-24о 20о 1,46-2,24 1,85
Проба 2 8,97-23,67 16,32 0,69-2,31 1,50 22-26о 24о 2,88-7,8 5,34
Метод сверления
Руда богатая железнослюдково-мартитовая и мартитовая 8,7-13,8 11,2 0,8-2,4 1,6 23-27о 25о 2,9-4,4 3,6
Руда гидрогематит-мартитовая 2,6-8,4 6,9 0,9-3,0 1,9 14-20 16 0,6-2,7 1,8
Метод, определения на уплотненных образцах
Руда богатая железнослюдково-мартитовая и мартитовая 0,058 - 1,15 0,83 8-9 0,025 - 0,5 0,36
Руда мартит-гидрогематитовая 0,45 - 2,42 1,087 23 0,15 - 0,80 0,36

Целик находится в предельном состоянии и при задержках с закладкой выработок устойчивость целика может быть нарушена. Следовательно, в рыхлых рудах повышение напряжений в целиках шириной 4,9 – 9,8 м между параллельными выработками и разрушение боков целиков являются факторами, определяющим устойчивость выработок. При ширине целика в 3 и более пролетов выработок взаимным влиянием на их устойчивость можно пренебречь.

2. Зона предельного состояния в кровле выработок, пройденных вприсечку к бетонной закладке при последовательном порядке строительства, растет пропорционально пролету подработанного пространства и стабилизируется на уровне, зависящем от величины пустот под кровлей перекрытия.

При полной, на все сечение, закладке выработок, пройденных вприсечку к бетону, зона отжима к боку выработки увеличивается в 2 раза по сравнению с одиночной выработкой. Нагрузка на крепь и размеры зон отжима практически не зависят от пролета подработанного пространства (рис. 3, а). Недозаклад в 0,1; 0,3; 0,5 м увеличивает зону отжима в боку выработки в 2,8; 3,5; 4 раза по сравнению с одиночной выработкой и составляет 2,0; 2,5 и 2,8 м (табл. 2).

Таблица 2

Размер (м) зоны неупругих деформаций в боку и кровле при

последовательном (вприсечку) проведении выработок.

Расположение зоны неупругих деформаций Полная закладка Величина недозаклада, м
0,1 0,3 0,5
Размер зоны неупругих деформаций, м
Бок выработки 1,4 2,0 2,5 2,8
Кровля выработки 0,8 3,3 6,7 8,6


Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.