Методика оценки напряженного состояния краевой части рудного массива при отработке глубоких рудников талнаха «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»




Скачать 214.81 Kb.
НазваниеМетодика оценки напряженного состояния краевой части рудного массива при отработке глубоких рудников талнаха «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Дата16.12.2012
Размер214.81 Kb.
ТипАвтореферат


На правах рукописи


МАРЫСЮК Валерий Петрович


МЕТОДИКА ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ КРАЕВОЙ ЧАСТИ РУДНОГО МАССИВА ПРИ ОТРАБОТКЕ ГЛУБОКИХ РУДНИКОВ ТАЛНАХА



«Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»





Специальность 25.00.20.- -


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) и На­уч­но-ис­сле­до­ва­тель­ском ин­сти­ту­те гор­ной гео­ме­ха­ни­ки и марк­шей­дер­ско­го де­ла – меж­от­рас­ле­вой на­уч­ный центр (ВНИ­МИ)


На­уч­ный ру­ко­во­ди­тель - док­тор тех­ни­че­ских на­ук Ша­ба­ров Ар­ка­дий Ни­ко­лае­вич


Офи­ци­аль­ные оп­по­нен­ты:


док­тор тех­ни­че­ских на­ук

про­фес­сор Ого­род­ни­ков Юрий Ни­ки­фо­ро­вич,


кан­ди­дат тех­ни­че­ских на­ук

Смир­нов Аль­берт Ан­д­рее­вич


Ве­ду­щее пред­при­ятие – Но­риль­ский ин­ду­ст­ри­аль­ный ин­сти­тут

За­щи­та со­сто­ит­ся 15 мая 2009 г. в 14 ч 15 мин на за­се­да­нии Дис­сер­та­ци­он­­н­ого со­ве­та Д 212.224.06 Санкт-Пе­тер­бург­ско­го го­су­дар­ст­вен­но­го гор­но­го ин­­ст­ит­ута име­ни Г.В. Пле­ха­но­ва (тех­ни­че­ско­го уни­вер­си­те­та) по ад­­р­есу 199106, Санкт-Пе­тер­бург, 21 ли­ния, д. 2, ау­ди­то­рия №1160.

С дис­сер­та­ци­ей мож­но оз­на­ко­мить­ся в биб­лио­те­ке Санкт-Пе­тер­бург­ско­го Го­су­дар­ст­вен­но­го гор­но­го ин­сти­ту­та име­ни Г.В. Пле­ха­но­ва (тех­ни­че­ско­го уни­вер­си­те­та)


Ав­то­ре­фе­рат ра­зо­слан 15 ап­ре­ля 2009 г.


Уче­ный сек­ре­тарь

Дис­сер­та­ци­он­но­го со­ве­та,

д.т.н. про­фес­сор Э.И. Бо­гу­слав­ский


ОБЩАЯ ХАРАКТРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время геомеханическая обстановка на глубоких рудниках Тал­наха представляется крайне осложненной. Это связано: во - первых, с увеличением глубины разработки рудных залежей до 1000 и более метров и, во – вторых, с формирова­нием зон повышен­ного горного давления, вызванного как горно-геологическими, так и горнотехническими причинами. Горно-геологические причины обусловлены тем, что в струк­турном плане Талнахский рудный узел разбит серией разрывных нарушений на тектонические блоки, в которых прослеживаются почти все уровни трещиноватости: крупные раз­рывы, связанные с региональными полями тек­тонических напряже­ний; разрывы, связанные с локальными складчатыми структурами, и системы макро- и микротрещин. При этом сам рудный массив пред­ставлен прочными и высокомодульными разновидностями руд, склонными при нагружении к разрушению в динамическом режиме. К горнотехническим причинам следует отнести особенности принятых на рудниках схем подготовки и порядок отработки шахт­ных полей, не исключающих ведение горных работ в узких целиках. Отработка таких целиков вызывает формирование в рудном массиве сложного поля на­пряжений, представляющего собой суперпозицию первичных и тех­ногенных напряжений, уровень которых не исключает вероятность проявления в целиках динамической форм разрушения краевой части рудного массива.

Таким образом, на глубоких рудниках Талнахского и Октябрь­ского месторождений сформировались особо сложные условия ве­дения гор­ных работ с повышенной вероятностью динамических форм проявления горного давления. В связи с этим возникает необ­ходимость проведения мероприятий по приведению массива в не­ударопасное состояние с постоянным и жестким контролем напря­жено-деформированного состояния рудного массива при ведении горных работ в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях.

Исследованию напряженно-деформированного состояния мас­сива горных пород посвящены работы ученых С. Г. Авершина, В.В Аршав­ского, Н.С. Булычева, В.А. Звездкина, В.П. Зубова, В.И. Ива­нова, А.А. Козырева, Г.Н. Кузнецова, К.В. Кошелева, А.М. Линь­кова, В.Н. Опарина, Н.Ю. Рассказова, М.А. Розенбаума, В.Д. Палия, И.М. Петухова, А.Г. Протосени, А.Н. Ставро­гина, В.С. Сидорова, А.П. Тапсиева, А.А.Филинкова, А.Н. Шабарова, Е. И. Шемякина и др. В этих работах отражены важнейшие положения механики гор­ных пород и массивов, составляющих основу ее современного со­стояния.

Тем не менее, методы экспериментальной оценки геомехани­ческого состояния массива существенно отстают от теоретических исследований. По-прежнему ведущую роль играет весьма трудоем­кая оценка напряженного состояния по дискованию керна, для по­лучения более точных оценок используется еще более трудоемкий метод разгрузки. Поэтому основной темой работы стал анализ ре­акций горного массива на повышенные напряжения и разработка нового метода текущего прогноза и оперативной оценки напряжен­ности краевой части рудного массива.

Цель работы: разработка методики оценки напряженного со­стояния краевой части рудного массива при отработке глубоких рудников Талнаха.

Идея работы: для оперативной оценки напряженного состояния краевой части рудного массива необходимо использовать вид и характеристики деформирования стенок скважины.

Задачи исследований:

1. Выявить условия формирования и особенности напряженно-деформированного состояния краевой части рудного массива, попа­дающей в зону влияния горных работ, и установить закономерности изменения прочностных и деформационных характеристик в зави­симости от расстояния от обнажения;

2. Исследовать и установить закономерности деформирования стенок скважин, пробуренных в краевой части рудного массива, на­ходящейся вне и в зоне влияния горных работ;

3. Установить закономерности между параметрами деформи­рования стенок скважин и напряженно-деформированным состоя­нием краевой части рудного массива и разработать на этой основе методику оценки ее напряженности.

Научная новизна работы:

1. Определено, что, что в зонах влияния очистных и подготовитель­ных выработок вследствие зонального распределения концентраций напряжений прочность пород дифференцирована в функции удале­ния от обнажения с шагом, составляющим 0,2 - 0,5 максимального размера выработки;

2. Установлено, что увеличение радиуса скважины, пробурен­ной в зоне влияния горных работ, пропорционально отношению максимального напряжения σmax к прочности массива: , где R2 – радиус скважины, dскв – ее исход­ный диаметр, σсж – фактическая прочность породы в краевой части рудного массива.

Основные защищаемые положения:

1. При отработке рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений зональная дезинтеграция краевой части массива со­провождается образованием участков пород, отличающихся прочно­стными свойствами и уровнем напряжений, причем изменения прочности (повышение и снижение на разных участках) в зоне влияния одиночной выработки достигают 15 %, а в зоне влияния очистных работ – 30 %;

2. Дискование керна и разрушение стенок скважины представ­ляют собой две тесно связанные между собой формы реакции мас­сива на действие повышенных напряжений, при этом существует значимая и надежная корреляция (R>0,95) между оценками макси­мальных напряжений, полученных на основе этих двух явлений;

3. С целью реализации эффективной методики оценки и прогноза параметров техногенных напряжений при развитии очистных работ следует использовать данные об изменениях радиусов скважин, пробуренных в краевую часть рудного массива в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается большим объемом лабораторных и шахтных исследований, применением современных методов стати­стической обработки экспериментальных данных и анализа геоме­ханического состояния массива горных пород, а также положитель­ными результатами промышленного использования разработанной методики на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».

Практическая значимость работы:

- усо­вер­шен­ст­во­ва­на кон­ст­­ру­кция при­бо­ра, по­зво­ляю­щая про­во­дить ка­ро­таж сква­жин диаметром от 40 до 170 мм с кон­тро­ли­руе­мым пе­ре­ме­ще­нием при­бо­ра от­но­си­тель­но про­доль­ной и вер­ти­каль­ной осей сква­жи­ны;

- раз­ра­бо­та­на кон­ст­рук­ция на­блю­да­тель­ной стан­ции для про­гноз­ной и опе­ра­тив­ной оцен­ки на­пря­жен­но­го со­стоя­ния крае­вой час­ти руд­но­го мас­си­ва;

- раз­ра­бо­та­ны тех­но­ло­ги­че­ские па­ра­мет­ры вы­ем­ки за­щит­но­го слоя и бу­ре­ния раз­гру­зоч­ных сква­жин, для фор­ми­рования за­щи­щен­ных зо­н при ве­де­нии гор­ных ра­бот на уда­ро­­опа­сных уча­ст­ках руд­ных за­ле­жей.

Личный вклад автора заключается: в постановке цели, задач и разработке методики исследований; в личном участии в организации и проведении экспериментальных работ на рудниках «Октябрьский», «Таймырский» и «Скалистый»; в исследованиях прочности образцов руд и пород в лабораторных условиях, в анализе результатов наблюде­ний, выводе основных научных результатов, составлении и внедрении методики оценки напряженного состояния краевой части рудного массива.

Реализация работы. Созданная методика оценки напряжен­ного состояния краевой части рудного массива используется: про­ектными организациями «Институт Норильскпроект» и «ООО Ин­ститут «Гипроникель» при разработке регламентов отработки уда­роопасных участков рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений; рудниками ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» при оперативной и прогнозной оценке напряженного состояния рудного массива, разработке паспортов крепления горных вырабо­ток и профилактических мероприятий по приведению краевой части рудного массива в неудароопасное состояние.

Апробация работы.

Основные положения диссертации док­ладывались: на междуна­родной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук» (Новосибирск, 2004 г.), на горной секции Горно-геологического управления ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» (г. Норильск, 2005-2008 гг.), на секции Уче­ного совета по геомеханике ОАО ВНИМИ (Санкт -Петербург, 2005-2007 гг.), на научно-техническом совете Научного центра геоме­ханики и проблем горного производства Санкт-Петербургского го­сударственного горного института имени Г.В. Плеханова (техниче­ского университета), (Санкт-Петербург, 2008-2009 гг.).

Публикации: Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 научных трудах, из них 2 - в рекомендованных ВАК РФ изданиях.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 112 страниц ма­шинописного текста, 37 рисунков, список литературы из 90 наиме­нований и одно приложение.

Автор выражает искреннюю признательность научному руко­водителю д.т.н. Шабарову А.Н. и к.т.н. Звездкину В.А. за внимание и ценные советы при подготовке и написании диссертационной ра­боты.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 приведены горно-геологические и горнотехнические условий отработки рудных залежей Норильского промрайона, вы­полнен анализ существующих методов оценки напряженного со­стояния массива горных пород. Сформулированы цель и задачи ис­следований.

В главе 2 разработана методика исследований прочностных свойств и напряженно-деформированного состояния краевой части рудного массива.

В главе 3 приведены результаты исследований и закономерно­сти изменения прочности и напряженно-деформированного состоя­ния краевой части рудного массива в зоне и вне зоны влияния гор­ных работ.

В главе 4 выполнено геомеханическое обоснование методики оценки напряженности краевой части рудного массива. Приведена методология текущей прогнозной и оперативной оценки напряжен­ности краевой части рудного массива, попадающей в зону влияния горных работ.

В заключение приведены основные научные и практические результаты диссертации.

В приложении приведены технико-экономические показатели вне­дрения методики на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель»

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. При отработке рудных залежей Октябрьского и Тал­нахского месторождений зональная дезинтеграция краевой части массива сопровождается образованием участков пород, отличающихся прочностными свойствами и уровнем напряже­ний, причем изменения прочности (повышение и снижение на разных участках) в зоне влияния одиночной выработки дости­гают 15 %, а в зоне влияния очистных работ – 30 %.

Для оценки напряженно-деформированного состояния крае­вой части рудного массива были проведены лабораторные и натур­ные исследования. В лабораторных условиях проводились исследо­вания физико-механических свойств образцов, отобранных из крае­вой части рудного массива, в шахтных - методами глубинных репе­ров, дискования керна и разрушения стенок скважины изучались процессы деформирования и формирования напряженного состоя­ния краевой части рудного массива.




Продолжительность наблюдений, сутки

Рисунок 1 - Характер деформирования краевой части рудного массива при развитии очистных работ


Лабораторные исследования показали близость деформиро­вания краевой части рудного массива к деформированию образцов трещиноватых горных пород. При нагружении образцов четко про­являются три стадии деформирования. На первой стадии, при воз­растании напряжений до 15 МПа (при прочности 90-120 МПа) в об­разцах происходит закрытие микро- и макротрещин, наведенных в руде в процессе генезиса рудной интрузии, с примерно постоянным соотношением продольных и поперечных деформаций. На второй стадии, при возрастании напряжений более 15 МПа, поперечные деформации увеличиваются с большей скоростью, чем продольные, в образцах начинается процесс образования новых систем микро- и макротрещин. При дальнейшем нагружении образцов начинается процесс ветвления и слияния природных и новых микро- и макро­трещин. На третьей стадии нагружения (при напряжениях 80-90 МПа), образцы, ослабленные вновь образованными системами тре­щин, приходят в предельное состояние и разрушаются.

В ходе длительных шахтных исследований было установлено, что такой механизм деформирования характерен и для краевой части рудного массива (рис. 1).

При этом в натурных условиях возрастание напряжений в ходе деформирования вызывается приближением зоны влияния очистных работ и влиянием опорного давления.

В
1
начале наблю­дений вне зоны влия­ния очистных работ в де­формировании руд­ного массива преобла­дающую роль на глу­бинах 900-1000м вы­полняют продольные деформации.

За счет продоль­ных деформаций про­исходит закрытие при­родных трещин. При этом в системах вер­тикальных или крутых трещин закрытие от­дельных трещин может происходить со сдвигом или поворо­том блоков относи­тельно друг друга. Процесс уплотне­ния массива (на графике область 1) растянут во времени и протекает с приблизительно по­стоянной скоростью деформирования, состав­ляющей в среднем 410-3 мм/сутки. В зоне влияния горных работ (примерно 30-40 м от фронта очистных ра­бот) краевая часть рудного массива переходит во вторую стадию деформирования (на графике область 2). На дан­ной стадии рудный массив деформируются со скоростью порядка до 20-2510-3 мм/сутки, которая в пять и более раз превышает ско­рость деформи­рования пород на предшествую­щей стадии уплотне­ния. В уплот­ненном массиве за счет быстрого роста поперечных де­формаций и деформаций растяжения происхо­дит образование новых систем микро- и макротрещин. В зоне мак­симального действия зоны опор­ного давления (примерно 10-20 м от фронта очистных работ), где напряжения превышают предел проч­ности ослабленного но­выми системами микро- и макротрещин мас­сива, в нем начинается про­цесс ветвления и слияния микро- и мак­ротрещин с образованием трещин более крупного порядка (на гра­фике область 3). На этой ста­дии процесс деформирования характе­ризуется циклическими из­ме­нениями скорости деформирования и резким возрастанием абсо­лютных величин деформаций рудного массива.

Таким образом, структурная однородность и трещинова­тость определяет нелинейный характер связи между напряжениями и деформациями в краевой части рудного массива.

Шахтными исследованиями с применением полевого проб­ника БУ-39, конструкции ВНИМИ, было установлено, что проч­ность руды на одноосное сжатие изменяется в зависимости от рас­стояния от обнажения. При этом участки краевой части рудного массива с различной прочностью руды прослеживаются, как в зоне влияния одиночной выработки, так и в зоне влияния очистных работ.

П
l/b
оявление в зоне влияния выра­ботки участков руд­ного мас­сива с различ­ными значениями прочности руды объ­ясняется тем, что выра­ботки на рудниках проводятся в доста­точно напряженном рудном массиве (глу­бина проходки вы­ра­боток 900 и более мет­ров). Выработки про­ходятся буро­взрывным способом, который вызывает появление в рудном массиве систем техногенных трещин, а сам процесс про­ходки выработок сопровождается перераспределением напряжений вокруг выработки. В краевой части рудного массива, попадающей в зону влияния выработки, протяженность которой равна примерно 0,2 максимального размера выработки (ширины или высоты в зави­симости от формы выработки), изменения прочности руды неве­лики. Снижение прочности за счет роста трещиноватости и реализа­ции нестесненных деформаций компенсирует увеличение прочно­сти, обусловленное закрытием трещин под действием опор­ного дав­ления. По нашим исследованиям область максимального действия влияния одиночной выработки распространяется в краевой части рудного массива на расстояние, примерно равное 0,5-0,7 мак­си­мального размера выработки. За этой областью отмечается тен­ден­ция возрастания и стабилизации прочности руды.

В
l/b
зоне влияния очистных работ также меняется характер рас­пределения прочности руды по глубине краевой части рудного мас­сива. Как и в зоне влияния выработки в краевой части рудного мас­сива имеется участок с при­мерно по­стоян­ным зна­чением проч­но­сти руды, его протяжен­ность состав­ляет приблизительно 0,2 макси­маль­ного раз­мера вы­ра­ботки. Появ­ление зоны с примерно посто­ян­ным значе­нием прочности руды объ­ясня­ется также, как и для выра­боток, взаимной ком­пенсацией сниже­ния прочности за счет трещино­образования и роста прочности за счет сжатия природных и наведенных трещин. Далее располага­ются участки, характеризую­щиеся цикличным изменением (сниже­нием или возрастанием) прочности руды. Такой характер изменения прочности руды, оче­видно, связан с различной степенью нарушен­ности рудного массива, определяющей жесткость, а, следовательно, и несущую способность участков рудного массива. Участки с пони­женной жесткостью (бо­лее трещиноватые) способны за счет подат­ливости уходить от дей­ствия повышенных напряжений без сущест­венных изменений проч­ности руды. Более жесткие участки рудного массива способны кон­центрировать напряжения и деформируются с наведением в руде техногенных систем макро- и микротрещин, ко­торые снижают прочность руды. Шаг формирования таких участков по глубине краевой части рудного массива составляет от 20 до 40-50 % макси­мального размера выработки.

Т


b –максимальный размер выработки

1, 2 - изменения прочности руды, соответственно, в зоне влияния горной выработки и очистных работ

Рисунок 2 - Вариации прочности руды по глубине (l) краевой части рудного массива


аким образом, анализ изменений прочности руды по глубине краевой части рудного массива (рис. 2) показал, что при ведении горных работ в рудном массиве могут появляться участки, как с по­ниженной, так и с повышенной прочностью руды.


Проведенные измерения дают основания ут­верждать, что в резуль­тате ве­дения горных работ краевая часть рудного массива транс­формируется в неоднородную структуру с из­менениями прочности руды, дости­гающими 15 процентов в зоне влияния одиночной выра­ботки, и 30 % – в зоне влияния очист­ных работ.

2. Дискование керна и разрушение стенок скважины пред­ставляют собой две тесно связанные между собой формы реак­ции массива на действие повышенных напряжений, при этом существует значимая и надежная корреляция (R>0,95) между оценками максимальных напряжений, полученных на основе этих двух явлений.

Обширные натурные исследования (более 500 измерений каж­дого параметра) показали, что дискование керна, выбуриваемого из напряженного массива, и разрушение стенок скважин являются, по сути, проявлениями одного и того же геомеханического процесса. Оба явления объясняются действием в массиве повышенных напря­жений, превышающих предел прочности руды. Опыты продемонст­рировали, что между процессами дискования керна и разрушения стенок керновой скважины су­ществует тесная связь. Во-пер­вых, протяженность зоны интен­сивного деления керна и разру­шения сте­нок скважины (рис. 3) характеризуются, в среднем, очень близкими величинами. Протяженность дискования керна в среднем составляла 24,8 см, а протяженность участка наиболее интенсивного разру­шения стенок скважины – 29,4 см. Во-вторых, не менее тесная связь про­сматривается и по рас­положению зон дискования и интенсивного разрушения сте­нок скважины. Среднее расстояние центра зоны диско­вания керна от стенки выработки составляет 2,7 м, а среднее расстояние до центра зоны раз­рушения - 3,2 м.

Анализ гистограмм рас­пределения случайных величин пока­зал, что эксперименталь­ное распределение характери­стик зоны дис­кования керна обладает явно выраженной асимметрией и удовле­твори­тельно описывается логнор­мальным распределением. Та­кой закон распределения слу­чайных величин свидетельст­вует о мультип­ликативном ха­рактере влияния технологиче­ских фак­торов (скорость вра­щения, усилие подачи бурового инструмента на забой сква­жины и т.д.) на диско­вание керна. Э


Рисунок 3 - Гистограммы распределения протяженности зон дискования керна (lд) и разрушения стенок скважин (lр).
кспериментальное распре­деление параметров раз­рушения стенок скважины при­ближается к нормальному за­кону, что свиде­тельствует об аддитивном харак­тере влияния на него перечислен­ных техно­логических факторов и доста­точно тесном группировании параметров относительно сред­него значения. Сравнительный анализ экспериментальных данных по диско­ванию керна и разрушению стенок скважины показал не только бли­зость средних значе­ний, но и примерное равенство дисперсий по критерию Фишера при уровне надежности р=0,05 и значительных объемах выборок (более 500).

Таким образом, несмотря на некоторые отличия в характере распределений, оба этих процесса очень близки между собой и яв­ляются двумя тесно связанными формами реакции массива на дей­ствие повышенных напряжений.

Исследованиями было установлено, что в краевой части руд­ного массива, затронутого горными работами, формируются участки до и запредельного деформирования рудной структуры. Напряжен­ное состояние вблизи обнажения изменяется от одноос­ного до объ­емного (рис. 4). В непосредственной близости от обнажения краевая часть рудного массива находится состоянии, близком к одноосному (зона 1). В этой зоне очень малы силы бокового рас­пора, а само главное нормальное напряжение σ1 не превышает пре­дела прочности руды. Далее выделяются участки краевой части рудного массива, чье напряженное состояние приближается к плос­кому (зона 2). В этой зоне напряжения могут превы­шать предел прочности руды, и в массиве могут появляться де­фор­мации, как упругого вос­становления, так и деформации неупругого характера. За этой зоной рудный массив дефор­мируется практиче­ски без по­тери сплошности, что харак­терно для объемного напря­женного состояния (зона 3).




1, 2, 3 - зоны одноосного, плоского и объемного напряженного состояния рудного массива

Рисунок 4 - Напряженное состояние рудного массива, затронутого горными работами


Выше приведенные ха­рактеристики напряженно-де­фор­мированного состояния краевой части рудного массива подтвержда­ется характером деформирования стенок сква­жины. Стенки сква­жины, попа­дающие в зону 1, испытывают малые деформации, диа­метр скважины остается практически постоянным (изменения ≤1%). В зоне 2 вследствие действия повышенных напряжений происходит формирование области неупругих деформаций с последующим разрушением стенок скважины. В зоне 3 стенки скважины испытывают упругое деформирование без потери сплошности пород или видимые деформации практически отсутствуют.


Таким образом, в краевой части рудного массива, затронутого горными работами, проявляются все виды напряженного состояния, а состояние стенок скважины от­ражает ее напряженно-деформа­ци­онное состояние.

Шахтными исследованиям было установлено, что при буре­нии скважин в краевой части мас­сива, попадающей в зону влияния гор­ных работ, разрушение пород на контуре скважин происходит в ос­новном за счет действия верти­кальной составляющей тензора на­пряжений. Вертикальные на­пряжения σ1 почти в два раза пре­вы­шают напряжения σ2 и σ3 бо­кового распора

Как показало бурение сква­жин, в краевой части руд­ного массива образуются зоны, в которых проявляются, как упру­гие, так и неупругие деформации, вызванные совместным действием гравитационных сил и опор­ного давления. Напряжения, вызванные гравитационными си­лами, не превышают прочность руды и приводят к уменьшению диаметра буримой сква­жины за счет реализации упругих деформаций. Напряжения от опорного давления, как правило, могут при­водить к появле­нию неупругих деформаций и разрушению стенок скважины.

Исследованиями была ус­тановлена линейная зависимость ме­жду радиусом неупругих де­формаций (разрушение стенок), диамет­ром скважины, прочно­стью руды и напряженным со­стоянием крае­вой части рудного массива. Связь между этими па­раметрами имеет коэффициент корреляции 0,95 и выражается уравнением вида


(1)


где dскв – диаметр буримой скважины, R2 – радиус неупругих деформаций, σ – напряжение в рудном массиве, = kв – пре­дел прочности руды на одноосное сжатие в области измерений (раз­рушения стенок скважины), kв- коэффициент изменения прочности руды в зоне влияния горных работ.

3. Данные об изменениях радиусов скважин, пробуренных в краевую часть рудного массива в вертикальной и горизонтальной плоскостях, являются основой эффективной методики опера­тивной оценки и текущего прогноза параметров техногенных зон повышенных напряжений при развитии очистных работ.

Согласно полученным выше закономерностям процесса деформирования приконтурного массива скважины, расчетная ве­личина напряжений в краевой части рудного массива должна опре­деляется с учетом начального поля напряжений нетронутого мас­сива, а также с учетом изменения прочности рудного тела по глу­бине краевой части рудного массива.

Влияние начального поля напряжений проявляется в уменьшении диаметра буримой скважины за счет реализации упру­гих деформаций при механическом извлечении горной породы, а изменение прочности руды, связанное с образованием в рудном массиве природных и техногенных трещин, учитывается с помощью полученных максимальных величин вариации прочности руды на одноосное сжатие в зоне опорного давления.

С


учетом этого, расчетная величина напряжений в каж­дой точке краевой части рудного массива, после преобразования формулы (1), определяется по формуле


(2)


где: – среднее значение предела прочности руды на одно­осное сжатие, МПа, kв – коэффициент изменения прочности руды в краевой части рудного массива. В зоне влияния выработки значение kв составляет 1,15, а в зоне влияния очистных работ – 1,3, dскв – диа­метр буримой скважины, dизм – измеренный диаметр сква­жины. kу – коэффициент, учитывающий упругое деформирование приконтур­ного массива скважины (для рассматриваемых условий его значение составляет 1,01).

Для оперативной и текущей оценки напряженного состояния краевой части руд­ного массива предлага­ется методика, основанная на измерении диаметров пробурен­ных сква­жин, которая творчески развивает и распространяет на условия Ок­тябрь­ского и Талнахского месторождений разработки ГИ КНЦ РАН по определению категории удароопасности прочных руд и пород.

Оперативная оценка параметров техногенных напряжений в краевой части рудного массива производится бурением скважины с последующим инструментальным измере­нием топографии стенок скважины. Для текущей оценки оборудуются замерные станции, представляющие собой скважины, пробуренные вне зоны влияния очистных работ в краевую часть рудного массива в вертикальной и горизонтальной плоскости. По за­мерным стан­циям по мере подвигания фронта очистных работ про­водится изме­рение топографии стенок скважины и определение уровня напряже­ний по глубине краевой части рудного массива.

Для получения точных значений диаметра скважины был усовершенствован и широко апробирован специальный прибор ИДС-1, исходным прототипом которого послужил «КОРАС», разра­ботанный в ГИ КНЦ РАН. Глубина скважины при этом должна превышать максимальный размер выработки.

Полученные по формуле (2) значения напряжений в иссле­дуе­мых точках краевой части рудного массива проверяются по фактору безопасности неравенством вида σmax ≤ 0,7 σсж, где σсж – предел прочности руды на одноосное сжатие.

Р
2
азработанная методика в сопоставлении с базовым мето­дом дискования керна прошла опытно-промышленные испыта­ния на 10 участках рудных залежей, отрабатываемых рудниками «Октябрь­ский», «Таймырский» и «Скалистый» ЗФ ОАО «ГМК «Но­рильский никель». Результаты испытаний показали удовлетвори­тельную схо­димость расчетных параметров величины напряжения по предла­гаемой и базовой методикам. Экономический эффект от внедрения методики на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский ни­кель» соста­вил 15 млн. рублей.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится новое решение задачи, связанной с оценкой напряженного состояния краевой части руд­ного массива, имеющей существенное значение при разработке руд­ных месторождений, отнесенных к склонным и опасным по гор­ным ударам.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Определено, что, что в зонах влияния очистных и подготовитель­ных выработок вследствие зонального распределения концентрации напряжений прочность пород дифференцирована в функции удале­ния от обнажения с шагом, составляющим 0,2 - 0,5 максимального размера выработки. При отработке рудных залежей Ок­тябрь­ского и Талнахского месторождений в краевой части рудного мас­сива изменения прочности руды (повышение и снижение на раз­лич­ных участках) в зоне влияния выработки достигают 15 процен­тов, а в зоне влияния очистных работ – 30 процентов.

2. Доказано, что между радиусом неупругого деформиро­вания приконтурного массива скважины, прочностью руды и на­пряжен­ным состоянием краевой части руд­ного массива существует корре­ляционная связь, выражающаяся уравнением вида , где dскв – диаметр буримой скважины, R2 – ра­диус неупругих дефор­маций, σ – напряжение в рудном массиве, σсж – предел прочности руды на одноосное сжатие;

3. Разработана и научно обоснована методика оценки на­пря­женного состояния краевой части рудного массива, которая вошла составной частью в «Указа­ния по безопасному ведению горных работ на Талнахском и Ок­тябрьском месторождениях, склонных и опасных по горным уда­рам, Норильск, 2007 г.;.

4. Экономический эффект от внедрения методики на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» составил 15 млн. рублей.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ :

1. Прогноз и обеспечение устойчивости горных выработок на рудниках ГМК «Норильский никель». / В.А. Смирнов, В.А. Звезд­кин, А.Н. Шабаров, Б.Н. Самородов, В.П. Марысюк // Горный жур­нал, 2004, № 12, - с. 44-48.

2. Моделирование напряженно-деформированного состояния массива в окрестности горных выработок рудника «Скалистый» / А.Г. Оловянный, В.А. Смирнов, Б.Н. Самородов, В.П. Марысюк //Сборник трудов международной конференции ИГД СО РАН, 2004, - с. 159-164.

3. Звездкин В.А., Бабкин Е.А., Марысюк В.П. Особенности деформирования горного массива рудников Октябрьского и Талнах­ского месторождений. // Горный журнал, 2004, № 12, - с. 52-54.

4. Аршавский В.В., Марысюк В.П. Особенности напряженно-деформиро­нного состояния горного массива, вмещающего горные выработки глубоких рудников Талнаха. // Сборник научных докла­дов Норильского индустриального института, 2005, - с. 21-24.

5. Марысюк В.П. Оценка напряженно-деформированного со­стояния руд­ного массива на глубоких рудниках Талнаха. Горный журнал, 2005, № 3, - с. 16-18.

6. Марысюк В.П., Богайчук А.В. Быстротвердеющий полимер­ный состав для формирования вертикального разделяющего ограж­дения между рудным и закладочным массивами. Авторское свиде­тельство № 1802169 (СССР), 1992.

7. Указания по безопасному ведению горных работ на Талнах­ском и Октябрьском месторождениях, склонных и опасных по гор­ным ударам. Норильск, 2007, - с. 75-76.


Похожие:

Методика оценки напряженного состояния краевой части рудного массива при отработке глубоких рудников талнаха «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика» iconПрогноз устойчивости горизонтальных выработок в зонах ослаблений рудного массива (на примере Яковлевского рудника)
Специальность 25. 00. 20 – Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
Методика оценки напряженного состояния краевой части рудного массива при отработке глубоких рудников талнаха «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика» iconПрогноз устойчивости подготовительных выработок при отработке первоочередногоучастка Яковлевского месторождения
Специальность 25. 00. 20 – Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
Методика оценки напряженного состояния краевой части рудного массива при отработке глубоких рудников талнаха «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика» iconСергей васильевич повышение качества дробления руды скважинными зарядами на основе учета физико-технических параметров горного массива
Специальность 25. 00. 20 – Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
Методика оценки напряженного состояния краевой части рудного массива при отработке глубоких рудников талнаха «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика» iconОбоснование технологии круглогодичного производства взрывных работ при селективной добыче карбонатных пород на примере афанасьевского месторождения
Специальность 25. 00. 20 – Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
Методика оценки напряженного состояния краевой части рудного массива при отработке глубоких рудников талнаха «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика» iconОбеспечение устойчивости выработок в рудном массиве при разработке удароопасных урановых месторождений (на примере месторождения “Антей”)
Специальность 25. 00. 20 – Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
Методика оценки напряженного состояния краевой части рудного массива при отработке глубоких рудников талнаха «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика» iconГеомеханическое обоснование параметров конструкций пилонной станции метрополитена с малоосадочной технологией строительства
Специальность 25. 00. 20 – Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
Методика оценки напряженного состояния краевой части рудного массива при отработке глубоких рудников талнаха «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика» iconАнтон Анатольевич Геомеханическое обоснование устойчивости бортов карьеров в сейсмоактивных районах (на примере угольных разрезов Кузбасса)
Специальность 25. 00. 20 – Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
Методика оценки напряженного состояния краевой части рудного массива при отработке глубоких рудников талнаха «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика» iconОбоснование технологии буровзрывных работ в карьерах и открытых горно-строительных выработках на основе деформационного зонирования взрываемых уступов
Специальность 25. 00. 20 – «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Методика оценки напряженного состояния краевой части рудного массива при отработке глубоких рудников талнаха «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика» iconМетодические указания к программе вступительного экзамена Основной целью вступительного экзамена в аспирантуру по специальности «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Программа составлена на основании федеральных образовательных стандартов высшего профессионального образования магистратуры и специалитета...
Методика оценки напряженного состояния краевой части рудного массива при отработке глубоких рудников талнаха «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика» icon: 622. 502 551. 14 550343. 4 Совершенствование методов оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород в целях повышения экологической безопасности освоения недр и земной поверхности
Совершенствование методов оценки геодинамического состояния блочного массива горных пород в целях повышения экологической безопасности...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница