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:     | 1 ||

Инженерно-геологические критерии устойчивости богатых железных руд в подземных выработках яковлевского месторождения кма

-- [ Страница 2 ] --

Осушение руд приводит к агрегированию тонкодисперсных и пылеватых частиц и соответственно к повышению угла внутреннего трения до 23о, при этом величина сцепления изменяется в широких пределах в зависимости от остаточных цементационных связей и плотности скелета (рисунок 1).

2. Основные принципы разработки инженерно-геологических критериев устойчивости БЖР базируются на особенностях формирования и техногенных изменений природы прочности БЖР под воздействием преобразования гидрогеомеханических условий в процессе развития горных работ, соотношения интенсивности осушения рудного тела и перетекания подземных вод из нижнекаменноугольного водоносного горизонта.

Обоснование устойчивости БЖР определяется взаимосвязанным подбором природных и техногенных факторов на основании анализа которых должна выполняться качественная и количественная оценка процессов и явлений, негативно влияющих на безопасность ведения горных работ.

К основным инженерно-геологическим критериям природного генезиса следует отнести:

  • особенности гранулометрического состава БЖР - по мере увеличения содержания фракции диаметром 0,05-0,002мм возрастает их способность в водонасыщенном состоянии переходить в неустойчивое состояние, при этом количество фракций d < 0,002мм не превышает 1%. К наиболее неустойчивым относятся разности, в которых содержание пылеватой фракции превышает 60%;
  • тип структурных связей БЖР в состоянии их полного водонасыщения, который может быть установлен по характеру деформаций сдвига (l) в зависимости от сдвигающего усилия. По мере уменьшения соотношения max и min устойчивость БЖР в стенках горных выработок снижается (рисунок 2);
  • микробная пораженность БЖР, которая устанавливается по величине содержания бактериальной массы (БМ).

Экспериментальные исследования дали возможность оценить интервал изменения БМ в различных типах БЖР и определить параметры сопротивления сдвигу БЖР, в зависимости от содержания бактериальной массы (БМ) (см. таблицу 1). Осушение БЖР приводит к снижению этого показателя. Обеспечение безопасности ведения горных работ зависит не только от природы

свойств БЖР, но также определяется гидрогеомеханическим состоянием рудной залежи и, прежде всего, интенсивностью ее осушения. В настоящее время на Яковлевском руднике осуществляется дренирование только рудного тела горизонтальными и наклонными самоизливающимися скважинами. Все вышележащие водоносные горизонты сохраняют высокие напоры (рисунок 3) Следовательно, проведение горных работ под неосушенными водоносными горизонтами аналогично развитию подземных работ под водными объектами, что всегда сопряжено с определенными осложнениями, связанными с увеличением проницаемости подрабатываемой толщи.

Соответственно техногенные изменения предопределяют необходимость учета регламентируемых инженерно-геологических критериев:

  • степень осушения БЖР в сочетании с изменением степени их плотности формирует повышение устойчивости руд за счет роста параметров прочности и резкого снижения микробной активности: угол внутреннего трения увеличивается почти в три раза, сцепление в 1,5 раза (см. таблицу 1);
  • вторичное увлажнение БЖР в процессе перетекания подземных вод из нижнекаменноугольного водоносного горизонта в рудное тело создает условия для перевода руд («синек») в состояние плывунов, что должно рассматриваться как недопустимое явление, поскольку возрастает риск развития прорывов подземных вод из вышележащего горизонта; при вторичном увлажнении наблюдается снижение угла внутреннего трения ниже 8о и сцепления до 0,025 МПа и менее.

Расширение фронта очистных работ и разуплотнение БЖР в кровле выработки будет способствовать увеличению площади перетекания подземных вод из нижнекаменноугольного водоносного горизонта на рабочий горизонт -370м и ниже. Расчет времени перетекания (t) выполнен по формуле Цункера:

(1)

где n- пористость руд; Н- действующая разность напоров в нижнекаменнугольном и рудно-кристаллическом горизонтах; К-коэффициент фильтрации; m- мощность целика.

Как следует из результатов расчета времени перетекания, даже минимально возможные коэффициенты фильтрации не гарантируют отсутствие вторичного увлажнения БЖР в период отработки рудного тела в первые годы при функционировании выработок на горизонте –370м (таблица 2).

Таблица 2– Расчет времени перетекания подземных вод из нижнекаменноугольного горизонта на горизонт -370м

Мощность целика, м Пористость БЖР, % Коэффициент фильтрации, м/сут Время перетекания, сутки Примечание
53 40 45 50 0,04 0,005 0,008 44 396 275 Расчет произведен в предположении, что величина Н=440м.
60 35 40 50 0,004 0,001 0,002 385 1760 1100

Анализ напряженно-деформированного состояния горных пород, вмещающих подземные выработки на участке первоочередной отработки был выполнен проф. А.Г. Протосеней с использованием результатов расчетов МКЭ при условии полного осушения рудного тела для двух моделей рудного тела: линейно-деформируемая и нелинейно-деформируемая среды.

Напряжения в толще БЖР, рассматриваемой как нелинейно-деформируемая среда ниже, чем в случае анализа среды как линейно-деформируемой. Поскольку со стороны лежачего и висячего боков рудной залежи, вмещающей БЖР, залегают жесткие железистые кварциты, то в них наблюдается концентрация напряжений, которая приводит к перераспределению напряжений и их снижению в слабой толще. Так, напряжения в БЖР на горизонте -370м составляют 0,5-8МПа, а на горизонте -425м 2,0-5,6МПа. В таких условиях рекомендуется для БЖР металлическое арочное крепление с сеткой. Разработку рудного пласта планируется вести с полной закладкой выработанного пространства под защитой бетонной потолочины.

3. Прорывы подземных вод из нижнекаменноугольного водоносного горизонта, имеющего напор выше 400м, при минимальных реальных размерах защитного целика (53м) и пролетах одиночной выработки (13м) возможны только в условиях вторичного увлажнения БЖР за счет нисходящего перетекания.

В пределах первоочередного участка отработки месторождения между рудной толщей и нижнекаменноугольным водоносным горизонтом отсутствует региональный водоупор. В подошвенной части нижнекаменноугольной толщи известняков прослеживаются невыдержанные прослои глин, углистых глин и углей, т.е. существует довольно тесная гидравлическая связь между неосушенным напорным горизонтом и дренируемым рудным телом. Следовательно, к наиболее опасным процессам, которые могут привести к необратимым последствиям, следует отнести прорывы подземных вод в выработки.

Определение предельной величины допускаемого напора Нпр выполнено по формуле В.А. Мироненко - В.М. Шестакова:

где m- мощность целика, разделяющего одиночную выработку от напорного горизонта, минимальное значение которой на горизонте -370 составляет 53м; в и – удельный вес воды и пород целика соответственно; с и - параметры сопротивления сдвигу пород целика: сцепление и угол внутреннего трения; – коэффициент бокового давления в толще пород, по данным полевых замеров, равный 0,67; b- ширина одиночной выработки согласно проекту, составляет 13,0м.

Параметры сопротивления сдвигу с и получены в результате экспериментальных исследований, проведенных на кафедре ГиИГ СПГГИ (ТУ).

Расчет по формуле В.А. Мироненко - В.М. Шестакова ведется с учетом, что деформации целика развиваются в форме поперечного сдвига. Этот метод расчета позволяет получить наиболее высокие значения критических (предельных) напоров.

Расчет произведен в предположении, что целик сложен БЖР в условиях: полного осушения; естественного водонасыщения; вторичного увлажнения.

Анализ вышеприведенной формулы показывает, что расчет предельного (безопасного) напора может быть выполнен только при условии, что b > tg*m. При обратном соотношении b < tg*m прорыв подземных вод невозможен.

Если толща целика находится в осушенном состоянии и =23о, то b - tg*m=15,06м, в то время как проектная величина b принята равной 13м. Следовательно, в полностью осушенных рудах прорыв невозможен.

Для водонасыщенных БЖР естественного сложения расчет Нпр с использованием параметров =8о; с=0,5МПа; =34,5 кН/м3; b=13,0м; m=53м; =0,67 показал, что предельно-допускаемый напор каменноугольного горизонта достигает 845м, что значительно выше действующего напора.

Наиболее опасная ситуация возникает при вторичном увлажнении БЖР. Как показали экспериментальные исследования сопротивления сдвигу вторично увлажненных БЖР, величина сцепления снижается до 0,22МПа и менее. Вторичное увлажнение сказывается также на величине . Согласно полученным данным вторичное увлажнение БЖР будет создавать условия для реализации прорыва подземных вод из нижнекаменноугольного водоносного горизонта при неблагоприятном разрезе толщи - преобладающем развитии БЖР (таблица 3).

Таблица 3 – Значения Нпр при варьировании параметра сцепления вторично увлажненных БЖР

Ширина пролета выработки, м Удельный вес руды КН/м3 Сцепление, МПа Предельный напор подземных вод, м Примечание
13,0 30,0 0,22 0,15 0,025 ~450,5 ~358 192 Действующий напор Нд 440м

Обеспечение устойчивости подземных выработок возможно при снижении величины b, либо увеличении мощности целика в условиях перетекания и вторичного увлажнения БЖР при запаздывании дренажных работ.

4. Предупреждение процесса перетекания подземных вод из нижнекаменноугольного горизонта как основного фактора вторичного увлажнения БЖР может быть реализовано на основе организации и проведения гидрогеохимического мониторинга по контролю за изменением определенных показателей водопроявлений в подземных выработках (H2S, Cl-, HCO3-, общая минерализация).

Принципы организации такого мониторинга базируются на гидрогеомеханическом зонировании первоочередного участка работ, выполненного по следующим критериям: 1) особенности геолого-литологического строения нижнекаменноугольного водоносного горизонта: наличие либо отсутствие водоупорных слоев; 2) гидрохимия и гидродинамика длительно работающих дренажных скважин и присутствие в них сероводорода; 3) активизация микробной деятельности в процессе перетекания в подземные выработки из нижнекаменноугольной толщи (рисунок 4)

С учетом этих факторов и фильтрационной способности пород нижнекаменноугольного горизонта выделено три зоны:

1) зона повышенной проницаемости защитной толщи (зона активного перетекания), приурочена к участкам, где известняки залегают непосредственно на БЖР, водопроводимость более 60 м2/сут;

2) зона средней проницаемости фиксируется на участках распространения глинисто-карбонатной толщи нижнего карбона, коэффициент водопроводимости которой варьирует в пределах 44-56м2/сут;

3) зона относительно низкой проницаемости находится в пределах участков переслаивания известняков и глин, которые преобладают в разрезе, водопроводимость менее 40м2/сут.

Основная цель гидрогеомеханического мониторинга направлена на прогнозирование и предупреждение последствий горно-геологических процессов и явлений в выработках:

  • формирование плывунов в неосушенных БЖР;
  • формирование фильтрационных деформаций в БЖР и вмещающих породах;
  • вторичное увлажнение осушенных БЖР за счет перетекания вод из нижнекаменноугольного водоносного горизонта;
  • образование вывалов, обрушений блоков горных пород из кровли и боков выработок по неблагоприятно ориентированным поверхностям ослабления и в зонах повышенной трещиноватости горных пород;
  • изменение напряженно-деформированного состояния БЖР в зонах очистных работ, создания бетонной потолочины и закладки выработанного пространства.

Структура комплексного гидрогеомеханического мониторинга включает:

  • мониторинг подземных вод, направленный на наблюдения и прогнозные оценки водопроявлений и развития фильтрационных деформаций;
  • геомеханический мониторинг, проводимый с целью определения характера деформаций и оценки напряжений в массиве БЖР и вмещающих пород.

Соответственно мониторинг подземных вод должен проводиться по следующим направлениям:

1) изменение дебитов действующих скважин и водопроявлений во времени.

2) Определение содержания хлор-иона, Н2S, а также минерализации воды в скважинах, т к. эти компоненты являются показателями перетока воды из нижнекаменноугольного водоносного горизонта в рудное тело;

3) наблюдения за характером и химическим составом водопроявлений в кровле, боках и почве выработок по вышеуказанным компонентам;

4) комплексные наблюдения в пределах участка ведения очистных работ, создания бетонной потолочины и закладки выработанного пространства;

5) организация режимных наблюдений за изменением напоров подземных вод в руднокристаллическом водоносном горизонте с использованием датчиков гидростатического давления (ПДС).

Основная задача геомеханического мониторинга в подземных выработках заключается в определении характера деформации и оценки напряжений в рудной толще и вмещающих породах. Подобные задачи решаются путем наблюдений в горных выработках с применением парных реперов, профильных линий, фотопланиметрической съемки и наблюдений по контролю устойчивости защитной потолочины.

Заключение

1. Выполнен анализ особенностей формирования химической коры выветривания и образования БЖР за счет интенсивно протекавших процессов выщелачивания щелочных и щелочноземельных элементов, а также кремнезема на различных типах материнских пород – итабаритов и таконитов. Отмечены специфика структурно-текстурных особенностей, гранулометрического состава, физических, водных и механических свойств БЖР.

2. Выделены и обоснованы инженерно-геологические критерии БЖР природного уровня, определяющие их устойчивость в горных выработках. Охарактеризованы дополнительные инженерно-геологические критерии с учетом воздействия техногенных факторов, прежде всего вторичного увлажнения и осушения рудной залежи. Отмечены особенности изменения напряженно-деформированного состояния рудной залежи при использовании различных расчетных моделей.

3. Выполнен количественный прогноз времени перетекания подземных вод из нижнекаменноугольного водоносного горизонта в рудную толщу при условии варьирования показателей пористости и коэффициентов фильтрации, который показывает реальность вторичного увлажнения БЖР в условиях расширения фронта очистных работ.

4. Расчетами подтверждена возможность формирования прорывов подземных вод из нижнекаменноугольного горизонта только в условиях активного перетекания и вторичного увлажнения БЖР. В осушенных БЖР прорывы вод в подземные выработки полностью исключаются.

5. С целью обеспечения контроля за процессом перетекания вод из нижнекаменноугольного горизонта и своевременного принятия решений по предупреждению нежелательных последствий необходима организация и регулярное проведение гидрогеомеханического мониторинга на участке первоочередных работ, где произведено зонирование. Наблюдения за изменением химизма подземных вод по определенным показателям позволяют выделить участки с различной интенсивностью перетекания. Гидрохимические определения должны дополняться контролем гидростатического давления в БЖР и инструментальными наблюдениями. Выполнение комплексного мониторинга позволяет оперативно разрабатывать способы инженерной защиты горных выработок.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Волкова А.В. Микробиота в богатых железных рудах Яковлевского месторождения: негативные последствия ее деятельности /Дашко Р.Э., Волкова А.В.// Материалы ХVI конференции молодых ученых, посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР, профессора К.О. Кратца. «Геология, геохронология и геоэкология: исследования молодых». Апатиты. 2005. С 351-356.

2. Волкова А.В. Геоэкология богатых железных руд Яковлевского месторождения и их устойчивость в подземных выработках /Дашко Р.Э., Волкова А.В.// Материалы II Международной научной конференции. Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах. Белгород, 2006. С. 113-120.

3. Волкова А.В. Роль микробиоты при оценке устойчивости богатых железных руд Яковлевского месторождения КМА./Дашко Р.Э., Волкова А.В// Труды Международной научной конференции «Проблемы инженерной геодинамики и экологической геодинамики». Москва, 2006. С. 81-83.

4. Волкова А.В. Исследование возможности прорывов подземных вод из нижнекаменноугольного водоносного горизонта в горные выработки Яковлевского рудника./ Дашко Р.Э., Волкова А.В.// Современные проблемы горной промышленности. Записки горного института. Т.168 СПб, 2006. С.142-149.

5. Дашко Р.Э. Микробная деятельность в подземных выработках и ее влияние на свойства богатых железных руд и конструкционных материалов./ Дашко Р.Э., Волкова А.В., Власов Д.Ю.// Современные проблемы горной промышленности. Записки горного института. Т.168 СПб, 2006. С. 165-175.

Рисунок 3- Схематическая геолого-гидрогеологическая колонка Яковлевского месторождения БЖР

Система Ярус Колонка Характеристика водоносных горизонтов и водоупоров
Четвертичная Q Суглинок, ср. мощностью 15м.
Палеоген-неоген P-N Песчаные отложения, глины, ср. мощностью 50м. Кф-0,1 м/сут
меловая маастрихтский K2m Мел трещиноватый, ср. мощн. 30м Мощность вод. гор 35м., напор 17м, Кф-0,0008-4,95 м/сут.
сантонский K2st+cp Мергель, ср. мощн. 125м
туронский K2t Мел, ср.мощ.-65м. Мощ. вод гор. 65м., напор145, Кф-0,0001-0,002 м/сут
Сеноман-альбский K1+2ab+cm Песок, глина, ср. мощн. 35м., Мощн. вод гор. 30м., напор –200м., Кф-0,2-2,1 м/сут/
юрская волжский J3v


Pages:     | 1 ||
 





 
© 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.