«ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ВЫРАБОТОК ПРИ ОТРАБОТКЕ ПОДКАРЬЕРНЫХ ЗАПАСОВ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ (НА ПРИМЕРЕ ОАО “АПАТИТ”) ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

“Национальный минерально-сырьевой университет “Горный”

На правах рукописи

Шоков Анатолий Николаевич

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ

ВЫРАБОТОК ПРИ ОТРАБОТКЕ ПОДКАРЬЕРНЫХ ЗАПАСОВ РУДНЫХ

МЕСТОРОЖДЕНИЙ (НА ПРИМЕРЕ ОАО “АПАТИТ”)

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор А.Г. Протосеня Санкт-Петербург -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ И ДАННЫХ

1. ПРАКТИКИ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1.1 Общие положения и понятия комбинированной технологии рудных месторождений

1.1.2 Особенности геомеханических процессов, протекающие в массивах при комбинированной отработке рудных месторождений

1.2 ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ............ ВОСТОЧНОГО РУДНИКА ОАО «АПАТИТ»

1.2.1 Особенности геологического строения

1.2.2 Горнотехнические условия отработки

СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД.........

1.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ И

ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ ПОРОД

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД

2.1.1 Определение деформационно-прочностных характеристик горных пород 2.2.2 Экспресс методика проведения упрощенных лабораторных исследований физико-механических свойств горных пород

2.2 РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ОСНОВНЫХ ЛИТОТИПОВ ГОРНЫХ ПОРОД ВОСТОЧНОГО РУДНИКА

ОАО “АПАТИТ”

2.3 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО

3.

СОСТОЯНИЯ ВОКРУГ ВЫРАБОТОК ПРИ ОТРАБОТКЕ ПОДКАРЬЕРНЫХ

ЗАПАСОВ ВОСТОЧНОГО РУДНИКА ОАО «АПАТИТ»

3.1.1 Общие сведения об объекте исследования и постановка задачи для моделирования

3.1.2 Анализ напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива с учетом гравитационно-тектонического поля напряжений

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО

3.

СОСТОЯНИЯ ПОДКАРЬЕРНОГО МАССИВА ПРИ ОТРАБОТКЕ

ПОДКАРЬЕРНЫХ ЗАПАСОВ

3.2.1 Постановка задачи для моделирования

3.2.2 Анализ напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива, вмещающего горные выработки

3.3 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3

ГЛАВА РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ

УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК, ПРОВОДИМЫХ В

ПОДКАРЬЕРНЫХ МАССИВАХ

4.1 НАТУРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА СОСТОЯНИЕМ ВЫРАБОТОК РУДНИКОВ

ОАО ”АПАТИТ”

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ И

4. ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БЕТОНА И ФИБРОБЕТОНА....... 4.2.1 Постановка задачи исследования

4.2.2 Методика проведения лабораторных исследований образцов бетона и фибробетона на одноосное сжатие и растяжение

4.2.3 Результаты физико-механических образцов бетона и фибробетона на одноосное сжатие и растяжение

4.2.4 Выводы по исследованиям влияния фибры на физико-механические свойства бетонов

4.2.5 Технология ведения работ по применению фибры в набрызгбетонных крепях горных выработок, проводимых в подкарьерном массиве

4.2.6 Рекомендации по расчету и применению фибры в креплении горных выработок, проводимых в подкарьерном массиве

4.3 ОБОСНОВАНИЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ

ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ ОТРАБОТКЕ ПОДКАРЬЕРНЫХ

ЗАПАСОВ

4.3.1 Оценка устойчивости подземных горных выработок в зоне влияния карьера на основе показателя напряженности

4.3. выработок, проводимых при отработке подкарьерного массива

4.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы: В настоящее время Восточный рудник ОАО «Апатит» ведет отработку запасов апатит-нефелиновых руд Коашвинского и Ньюркпахкского месторождений открытым способом. В дальнейшем планируется переход на подземную разработку месторождения, поэтому большой научный и практический интерес представляют задачи, связанные с обеспечением устойчивости подготовительных выработок при отработке подкарьерных запасов.

Актуальность вышеуказанной задачи объясняется сложным характером взаимного влияния карьера, проходческих и очистных подземных горных работ, а также наличием в массиве тектонических напряжений.

Для решения данной задачи необходима комплексная оценка напряженнодеформированного состояния подкарьерного массива с учетом неравнокомпонентного гравитационно-тектонического поля напряжений, особенностей физико-механических и структурных свойств вмещающих пород и влияния подготовительных и очистных выработок.

Исследованием геомеханических процессов при комбинированной разработке рудных месторождений занимались такие ученые, как Д.Р. Каплунов, А.А.

Козырев, Д.М. Казикаев, В.Н. Калмыков, Э.В. Каспарян, Ю.В. Демидов, Ю.В. Волков, М.В. Рыльникова, В.В. Рыбин, Т.М. Мухтаров и др. Обеспечению устойчивости выработок посвящены работы И.В. Баклашова, А.А. Баряха, И.Ю. Рассказова, К.В. Руппенейта, Н.С. Булычева, Б.А. Картозии, А.Н. Панкратенко, В.В. Першина и др. Изучением геомеханических процессов вокруг выработок в прочных высоконапряженных массивах занимались А.А.

Еременко, А.Г. Протосеня, В.Л. Трушко, Г.Г. Мирзаев, М.В. Корнилков, В.В. Зубков, О.В. Ковалев и др.

Цель диссертационной работы: Обеспечение устойчивости подготовительных выработок при отработке подкарьерных запасов Восточного рудника ОАО “Апатит”.

Идея работы: Выбор рациональных типов и параметров крепей подготовительных выработок, расположенных в подкарьерных массивах, должен производиться на основе прогноза их устойчивости, базирующегося на результатах численного моделирования, с учетом особенностей перераспределения компонентов гравитационно-тектонического поля напряжений, вызванных разработкой карьера.

Основные задачи

диссертационной работы:

- лабораторные исследования физико-механических свойств руд и вмещающих пород;

- проведение натурных наблюдений за проявлениями горного давления в подготовительных выработках на рудниках ОАО «Апатит»;

- проведение численного моделирования по исследованию параметров полей напряжений в подкарьерном массиве при комбинированной открытоподземной разработке месторождения;

- разработка конечно-элементных моделей массива рудных месторождений при отработке подкарьерных запасов и установление закономерностей изменения поля напряжений;

- обоснование рациональных типов и параметров крепей подготовительных выработок, расположенных в подкарьерном массиве.

Методы исследований. В работе использовалась комплексная методика исследования, включающая анализ литературных источников, опыта комбинированной открыто-подземной разработки месторождений полезных ископаемых;

материалов геологической разведки месторождений Восточного рудника ОАО «Апатит»; исследование прочностных и деформационных свойств вмещающих горных пород в лабораторных условиях; натурные наблюдения за устойчивостью подготовительных выработок; численное моделирование геомеханических процессов, протекающих в подкарьерных массивах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

установлены закономерности перераспределения гравитационнотектонического поля напряжений в подкарьерном массиве, вызванные карьерной выемкой;

- выявлены закономерности изменения коэффициентов концентрации напряжений на контурах горных выработок в подкарьерном массиве в зависимости от их положения относительно дна карьера Защищаемые научные положения.

1. Метод прогноза пространственного напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива должен учитывать его геологическое строение, геометрические параметры карьера и естественное гравитационно-тектоническое поле напряжений.

2. Наличие карьера приводит к концентрации тангенциальных напряжений в кровле и почве горных выработок и формированию в подкарьерном массиве зоны повышенных напряжений, размеры которой достигают под его дном 320 метров, а в горизонтальном направлении 200 метров.

3. Обоснование типов и расчет параметров крепей подготовительных выработок при отработке подкарьерных запасов должны осуществляться по методике, учитывающей, кроме других факторов, положение выработок относительно дна карьера, и для крепления выработок в породах второй, третьей и четвертой категорией устойчивости рекомендуется использовать фибронабрызгбетон.

Практическая значимость работы:

деформированного состояния массива вокруг горных выработок, находящихся в зоне влияния карьера;

- обоснованы рациональные типы и параметры крепей подготовительных выработок учитывающие совокупное влияние карьера и тектонического поля напряжений в массиве;

- разработаны рекомендации по использованию фибронабрызгбетона для крепления выработок в сложных горнотехнических условиях.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается использованием новейшего прессового оборудования лаборатории физико-механических свойств и разрушения горных пород Научного центра геомеханики и проблем горного производства Национального минеральносырьевого университета «Горный» при выполнении испытаний образцов горных пород; использованием реализованного в рамках сертифицированного программного комплекса для ЭВМ Simulia Abaqus современного численного метода конечных элементов; натурными наблюдениями за состоянием крепи и породных обнажений в зоне влияния карьера.

Апробация диссертации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях: международных форумах молодых ученых «Проблемы недропользования» (г. СанктПетербург, 2012, 2013 г.); ежегодных конференциях студентов и молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (г. Санкт-Петербург, 2012, 2013 г.); Международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и их решения» (г. Воркута, 2011, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 3 - в сборниках печатных работ, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований; в выполнении лабораторных испытаний образцов горных пород и обработке их результатов; в постановке задач конечно-элементного моделирования; в разработке конечно-элементных моделей, выполнении численных экспериментов и анализе полученных результатов; проведении натурных наблюдений за устойчивостью горных выработок на рудниках ОАО «Апатит»; в разработке практических рекомендаций по обеспечению устойчивости подготовительных выработок в подкарьерных массивах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 108 наименований, 68 рисунков и 15 таблиц.

ГЛАВА1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ И ДАННЫХ

ПРАКТИКИ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1.1 Общие положения и понятия комбинированной технологии рудных месторождений Вследствие многообразия схем совмещения открыто-подземной разработки, обусловленного различными возможными во времени и в пространстве комбинациями вариантов технологии открытых и подземных горных работ, в горнотехнической литературе трактуется неоднозначно, в связи этим, на первом этапе, разберемся с определением комбинированной системы разработки. В историческом аспекте под комбинированной разработкой понимается любое сочетание открытого и подземного способов добычи при разработке одного и того же месторождения [1].

На сегодняшний день классификацией комбинированной разработки месторождений занимались: Б.П. Юматов; А.А. Вовк; Г.И. Черный; Д.М. Казикаев;

В.А. Щелканов; Т.М. Мухтаров; Д.Р. Каплунов; В.Н. Калмыков; М.В. Рыльникова; В.В. Куликов; Э.Ю. Мещеряков [1-8].

В работах [1-5] прослеживается общая терминология и классификация, которую можно представить в виде схемы, представленной на рисунке 1.1.

Комбинированным называется способ разработки месторождения несколькими принципиально-различными технологиями, осуществляемый в зонах взаимного геомеханического влияния при единой схеме вскрытия месторождения.

В результате сочетания во времени и в пределах одного месторождения различных технологий выделяется обобщённые варианты комбинированного способа разработки: совместная во времени и в пространстве открытая, подземная и физико-химическая отработка месторождения; последовательная открытоподземная или подземно-открытая разработка; физико-химические способы могут присутствовать в любом из этих подвариантов; повторная разработка месторождения в любом сочетании подземных, открытых и физико-химических способов.

Рисунок 1.1 – Классификация разновидностей комбинированной разработки рудных месторождений Также существуют классификации вариантов комбинированной разработки рудных месторождений, где в качестве критериев принимают частные признаки, которые не оказывают существенного влияния на комбинированную технологию.

К таким признакам Казикаев Д.М.[4] относит характеристики состояния массивов руд и пород (обрушенные, монолитные, частично обрушенные, устойчивые и т.д.); стадийность освоения месторождения (стадии строительства, эксплуатации, завершения); условия залегания рудных залежей и т.д. Детализация признаков приводит к усложнению системы классификации разновидностей комбинированной разработки, что в данном случае является неуместным.

В задаче исследования рассматривается последовательная открытоподземная разработка рудного месторождения, в случае, когда после выхода карьера на предельную глубину производится переход на подземную разработку запасов.

Также существуют классификации запасов руд, подлежащих комбинированной разработке, по непосредственному их расположению относительно карьера [6,7,8]. В общем, запасы руд месторождения условно разделяют на три группы: подкарьерные, прикарьерные, шахтные (рисунок 1.2). В отдельных случаях из прикарьерных запасов выделяют подгруппы прибортовых и прикарьерных запасов.

Рисунок 1.2 – Группы запасов месторождения при комбинированной разработке:

1 –карьерные; 2 – прикарьерные; 3 – шахтные; 2а- прибортовые; 2б - подкарьерные Каждый из обозначенных участков характеризуются отличными от других геомеханическими условиями и соответственно технологиями работ.

В работе рассмотрена разработка запасов находящихся непосредственно под дном карьера, что по вышеописанной классификации соответствует прикарьерной группе подкарьерной подгруппы запасов. В связи с тем, что как подкарьерные, так и прибортовые относятся к прикарьерным запасам, в данной работе по классификации запасов по их местоположению относительно карьера будет подразумеваться именно подкарьерные запасы. Классификация способов комбинированной разработки, предложенная В.А.Щелкановым [3], приведена в таблице 1.1. При этом используются следующие показатели совмещения комбинированной системы разработки: степень совмещения открытых и подземных работ во времени; степень совмещения работ в пространстве; коэффициент использования технических возможностей месторождения; теснота технологической взаимосвязи горных работ; коэффициент эффективности технологической взаимосвязи.

Таблица 1.1 - Классификация способов комбинированной разработки по В.А.Щелканову мещением (одно- тикальной плоскости временная разра- II. С совмещением в го- Среднее ботка) ризонтальной плоскости II. С частичным III. С частичным совме- Слабое 2) Средняя Неблагоприятный совмещением щением в горизонтальной и вертикальной (последовательно-параллельная плоскостях разработка) ния (последовательная рзработка) По степени совмещения горных работ во времени, группы которого определяются отношением времени одновременного ведения горных работ к общему сроку отработки месторождения, разделяют:

1) предприятия с полным совмещением горных работ в карьере и подземном руднике (одновременная разработка);

2) предприятия с частичным совмещением горных работ в карьере и подземном руднике (последовательно-параллельная разработка). Начало добычных работ в карьере и подземном руднике характеризуется некоторым промежутком времени;

3) предприятия без совмещения горных работ во времени (последовательная разработка).

Также имеется классификация по степенью совмещения работ в пространстве, которая определяется отношением площади месторождения, находящейся в одновременной отработке подземным и открытым способом, в среднем сечении, к общей площади месторождения коэффициент совмещения работ в пространстве и разделяется на следующие группы:

1) по степени совмещения работ отнесены месторождения, которые отрабатываются с полным совмещением открытых и подземных работ в вертикальной плоскости. Имеется возможность одновременного ведения открытых и подземных работ по всей площади месторождения с разницей лишь в отметках по вертикали;

2) по степени совмещения работ отнесены месторождения, которые отрабатываются с полным совмещением работ в горизонтальной плоскости. При таком сочетании горные работы оказывают особенно значительное влияние друг на друга лишь в приграничной зоне (на контакте карьера и подземного рудника).

Наиболее вероятна взаимосвязь вопросов вскрытия, подготовки, осушения, вентиляции и других технологических процессов в целом по месторождению;

3) месторождения, отрабатываемые с частичным совмещением работ в горизонтальной и вертикальной плоскостях, размещенных в различных частях месторождения.

Классификация по технологической взаимосвязи, которая понимается, как взаимосвязанное решение схем вскрытия и технологических схем разработки карьерного и шахтного полей с использованием благоприятных специфических особенностей, обеспечивающих повышение эффективности разработки всего месторождения. Разделяется на три группы:

1) с тесной технологической взаимосвязью относятся способы комбинированной разработки с полной взаимной связью вопросов вскрытия и разработки (например, с выдачей всей руды и породы через общие подземные стволы);

2) со средней теснотой технологической взаимосвязи относятся способы комбинированной разработки, взаимосвязанные отдельными элементами вскрытия и технологии горных работ;

3) со слабой технологической взаимосвязью относятся способы комбинированной разработки с косвенной связью горных работ, например взаимное использование подземных горных выработок для технологических целей — осушения месторождения, вентиляции, разведки. Несмотря на отсутствие посредственной связи открытых и подземных работ, имеются моменты взаимного влияния в сфере обслуживания предприятия в решении производственных вопросов (общие обогатительные фабрики, способы усреднения, ремонтно-механическая база, культурно-бытовые сооружения, внешние объекты и др.), на которые превалирующее влияние оказывает производственная мощность предприятия.

Классификация комбинированных способов разработки В.А. Щелканова позволяет для дискретных условий не только выявить качественную взаимосвязь горных работ, но и количественно оценить эффективность использования природных ресурсов.

Исходя из существующих классификаций отработки месторождений можно определить рассматриваемую технологию отработки месторождений Восточного рудника ОАО «Апатит», как комбинированную последовательную открыто-подземную технологию с частичным обрушением пород.

1.1.2 Особенности геомеханических процессов, протекающие в массивах при комбинированной отработке рудных месторождений В работах [7,8] приводят примеры отечественных и зарубежных рудников, где осуществлен или осуществляется переход к отработке подкарьерных и прибортовых запасов. В настоящем времени высокие темпы добычи руды на карьерах привели к тому, что запасы, пригодные для открытого способа отработки, резко сократились, что вызвало соответствующее снижение объемов добычи на карьерах. В мировой практике исследования геомеханических процессов, протекающих в массиве при комбинированной системе разработки начались с середины 20 века, когда впервые начали осуществлять переход от открытых к подземным работам, в рамках которых впервые изобретены методики расчета безопасных параметров открытых работ в зоне влияния подземных работ, прошедшая успешную проверку в условиях Норильского, Хайдарканского, Лениногорского, Зыряновского комбинатов [6,10]. Разработки данных методик связаны с особенностью открыто-подземного способа комбинированной отработки, связанной с наличием карьерных и подземных очистных пространств, находящихся в непосредственной близости. Так наличие карьерной выемки может ухудшить геомеханическую обстановку в зоне подземных горных работ [11]. При этом создание подземных очистных пространств негативно сказывается на прилегающий массив горных пород, тем самым ухудщая состояние бортов карьера и разделительной целика в стычковой зоне[12].

В работах [10,15,29] рассматриваются проблемы, возникающие при отработке мощных рудных месторождений Кольского полуострова. Данные месторождения осложнены горным рельефом, высокими действующими тектоническими напряжениями, опасностью динамических проявлений горного давления, сложной гидрогеологией. В северных условиях также сказывается негативное воздействие низких температур с учетом значительной амплитуды колебания температурного поля горных пород. С учетом многолетнего сейсмического воздействия массовых взрывов в приконтурных зонах развивается интенсивная техногенная трещиноватость разработка месторождений Восточного рудника ОАО “Апатит” требует более детального геомеханического исследования.

В работах [13-16] сформулированы геомеханические задачи комбинированной системы разработки, из которых следует выделить: определение размеров вертикальных и горизонтальных обнажений пород; изучение закономерностей воронкообразования в зоне карьера при подземных работах с обрушением;

определение размеров барьерных целиков различного назначения: для изоляции подземных горных выработок от карьера, управления процессом сдвижения горных пород, изоляции затопленных участков и другие; выбор способа погашения подземных пустот; изучение влияния откоса борта карьера на распределение и величины напряжений в опорных, барьерных, потолочных целиках; изучение изменения характера нагружения всех видов подземных целиков в зоне влияния борта карьера; оценка роли и соотношения нормальных и касательных напряжений в потере устойчивости и прочности целиков; поиск способов и возможностей управления напряженным состоянием целиков; определение безопасной толщины потолочного целика над подземными пустотами; изучение деформаций подработанных транспортных берм карьера; выбор систем комбинированной разработки месторождений.

Существующие геомеханические исследования комбинированной разработки рудных месторождений в основном направлены на определение особенностей изменения напряжений в целиках, потолочинах, обнажений [2,4,6,17-28] и не рассматривают напряженно-деформированное состояния массивов вмещающих подготовительные горные выработки. C учетом наличия уникальных факторов влияния в рудных месторождениях, таких как, действия тектонического поля напряжений и рельефа земной поверхности, общие решения по исследованиям напряженно-деформированного состояния прикарьерных массивов получить невозможно, в связи с необходимой привязкой к конкретным месторождениям.

Таким образом, на изучении способов обеспечения устойчивости вскрывающих и подготовительных выработок, расположенных в зоне влияния карьеров не акцентируется внимание, хотя применение оптимальных видов и параметров крепей выработок должно обеспечить повышение срока их службы, снизить объем ремонта выработок, повысить безопасность ведения работ в целом.

1.2 ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

ВОСТОЧНОГО РУДНИКА ОАО «АПАТИТ»

1.2.1 Особенности геологического строения В состав Восточного рудника ОАО «Апатит» входят Коашвинское и Ньоркпахкское месторождения [30,31,32]. В данной работе рассматривается Коашвинское месторождение, следовательно более подробно рассмотрено горногеологические особенности именно данного месторождения.

Месторождение Коашва входит в состав месторождений Хибинской группы, локализованных в пределах «ийолит-уртитовой дуги» Хибинского щелочного массива. Месторождение расположено на склонах горы Коашва и в долине реки Вуоннемйок. Площадь месторождения по геоморфологическим признакам относится к области среднегорного рельефа. Западная часть карьера ограничена горой Коашва, восточная – долиной реки. Коашвинское месторождение пространственно и генетически связано с конической интрузией ийолит-уртитов и залегает в средней части ее трехчленного разреза, в массивных уртитах рудной субфазы.

Общая видимая мощность ийолит-уртитовой интрузии в этом районе (рудная зона, покрывающие и подстилающие ийолиты) достигают 1900м, истинная – 1000 м. Интрузия и соответственно рудная зона имеют простирание СВ 60-700 и падение СЗ под углами 25-500. Вмещающими интрузию породами со стороны лежачего бока являются на верхних горизонтах хибиниты, глубже – рисчорриты, со стороны висячего бока – рисчорриты с фацией ювитов и поздние лявочорриты.

Характерными особенностями Коашвинского месторождения являются многоярусное строение, сложная морфология рудных тел и широко развитое их брекчирование.

Рудные тела Коашвы сложены теми же природными типами руд, что и на других эксплуатируемых месторождениях Хибинского массива.

По особенностям строения и состава рудная зона в целом разделяется на верхнюю и нижнею части. Верхняя часть характеризуются максимально большим количеством рудных тел и сопровождающих их саттелитов, сложной формой тел с резкими раздувами и пережимами, широким развитием в их составе богатых руд и рудной брекчии.

Нижние горизонты отличаются присутствием 1-2 рудных тел пластообразной формы, без резких колебаний мощности, преобладанием в их составе руд среднего качества и бедных; ограниченным развитием рудной брекчии.

Породы, залегающие выше долин и цирков, благодаря дренажу, большую часть года безводны. Обводнение их происходит лишь временно – в период интенсивного снеготаяния и дождей. Здесь формируется зона аэрации. С понижением отметок до уровня долин происходит накопление просочившихся вод и формирование водоносных горизонтов в кристаллических породах и четвертичных отложениях. Это зона постоянного водонасыщения, имеющая повсеместное площадное распространение.

По гидрогеологическим и инженерно-геологическим условиям месторождение относится к сложным [1]. Это в большей степени связано с большой площадью водосбора притоков р.Вуоннемийок и руч.Тихого с двумя притоками Коашвайок и Китченахийок, наличием 2-х водоносных комплексов и действующим в настоящее время карьером.

На месторождении выделяется четыре рудных тела (I, II, III, IА) в главной рудной зоне и два рудных тела (IV, IVА) в нижней рудной зоне. Рыхлые четвертичные отложения сплошным плащом покрывают руды и коренные породы.

Простирание рудной зоны СВ 60-70°, падение на СЗ под углами от 20-30° у поверхности до 35-45° на глубине. Длина рудной зоны по простиранию 3,2 км, по падению 1,5-1,6 км. Общая мощность рудной зоны в среднем составляет 250м, уменьшаясь местами до 100 м и увеличиваясь до 400 м.

Коашвинское месторождение имеет многоярусное строение, обусловленное чередованием в разрезе сложных по форме тел апатито-нефелиновых руд и разделяющих их массивных уртитов. Верхние горизонты рудной зоны характеризуются относительно большим количеством рудных тел и сателлитов. На нижних горизонтах присутствуют 1-2 рудных тела. Форма рудных тел линзообразная и пластообразная. Мощность рудных тел колеблется от нескольких метров до 180 м, составляя в среднем 25-40 м.

В строении рудных тел присутствуют прослои пустых пород мощностью до 10 м.

Процессы окисления (шпреуштейнизации) руд месторождения наблюдаются в нескольких локальных участках, количество их с глубиной уменьшается.

Руды представлены различными текстурными разновидностями: от богатых по содержанию Р2О5 пятнистых и пятнисто-полосчатых до бедных апатитовых уртитов. Практически все руды первичные.Основные рудообразующие минералы: апатит, нефелин, эгирин, сфен, титаномагнетит, полевой шпат.

Массив скальных пород разбит отдельными крутопадающими тектоническими разломами и зонами шпреуштейнизации мощностью 0,1-3,0 м, развитыми вдоль контактов с рудными телами.

Водоносный комплекс трещинных вод палеозойских пород залегает ниже и приурочен к верхней трещиноватой зоне выветрелых пород, либо к зонам интенсивной трещиноватости скальных пород. Характеризуется высокой водообильностью: коэффициент фильтрации - 42,3 м/сут, удельный дебит – 2,63 л/с.

Руды и вмещающие породы месторождения потенциально склонны к разрушению в форме горных ударов, т.к. имеют высокие значения коэффициента хрупкости 23 - 30. В рудах, вследствие их значительно меньшей крепости уровень действующих напряжений ниже, чем во вмещающих породах. В целом, поле напряжений в массиве пород месторождения характеризуется ярко выраженной изменчивостью как по площади, так и в пределах разведанных глубин. Величина напряжений находится в пределах 20-50 МПа, а при напряжениях в массиве свыше 40 МПа возникает реальная опасность динамических проявлений горного давления вплоть до горных ударов.

Данные свидетельствуют о высокой устойчивости породных обнажений вне зон трещиноватости и зон окисленных пород. На месторождении выделяется пять систем трещин, таблица 1.2. В наибольшей мере устойчивость породного массива определяют Концентрическая и Диагональная (система № 4) системы трещин, которые образуют зоны сгущения - от 1 до 10 трещин на метр вкрест их простирания. Протяженность трещин этих систем достигает сотен метров. В рудной зоне существуют системы хаотично ориентированных пластовых трещин и субвертикальных трещин, также характерных и для породного массива.

Таблица 1.2 - Системы трещин Коашвинского месторождения [30] Подземные горные выработки будут вестись в крепких скальных породах:

рисчорритах, уртитах, ийолитах, ювитах. Временное сопротивление сжатию скальных пород массива изменяется от 90 до 350 МПа.

Массив пород на месторождениях Восточного рудника относится к высоконапряженным. Напряженное состояние массива пород формируется под влиянием двух силовых полей: гравитационного и тектонического. Даже на глубинах 100150 м от поверхности напряжения достигают 60 МПа. Результаты глубинного сейсмического зондирования, выполненного на Хибинском массиве, показали, что глубинные горизонты апатит-нефелиновых месторождений также находятся под воздействием высоких горизонтальных напряжений субширотного направления.

По сочетанию высокой напряженности массива и склонности пород к динамическим формам проявления горного давления, месторождения Восточного рудника относятся к опасным по проявлению горных ударов.

Предварительная оценка уровня действующих напряжений представлена в работе [30]. Показано, что при относительной неизменности значений физикомеханических свойств основных типов горных пород и параметров структурной нарушенности с глубиной геомеханическое состояние глубоких горизонтов месторождений Восточного рудника будет в основном определяться уровнем действующих в массиве пород напряжений, что делает актуальным опережающий прогноз напряженного состояния пород по мере развития горных работ на месторождении.

На месторождениях Восточного рудника выделяются три инженерногеологических комплекса пород: комплекс слабых рыхлых отложений; комплекс кристаллических пород средней крепости; комплекс крепких скальных пород.

Комплекс слабых пород мощностью до 35 м развит в долине р. Суолиок, у подножий и на склонах гор. Комплекс пород средней крепости представлен сильно выветрелыми и интенсивно трещиноватыми скальными породами, распространенными до глубины 150300 м. Ниже разрез представлен комплексом крепких скальных пород.

Кольским научным центром Российской академии наук были выявлены основные черты и закономерности структурно-тектонического строения месторождения, главными из которых являются:

1. Вмещающие породы и рудные залежи характеризуются весьма сложным тектоническим строением, интенсивной степенью трещиноватости и развитием множества систем трещин. Выделены основные системы трещиноватости, характерные для всего Хибинского массива: I – крутопадающие поперечные (концентрические); II – продольные (радиальные); III – субгоризонтальные; IV – диагонально-секущие, дополняющие системы III.

Дополнительно к перечисленным, в пределах Ньоркпахкского месторождения проявляется второстепенная система трещин V.

В пределах юго-восточного борта карьера отчетливо прослеживается зона дизъюнктивных нарушений, интенсивной трещиноватости и, сопряженная с ней, зона «окисления» – зона Главного или Ньоркпахкско-Суолийокского разлома.

Согласно данных «Отчета по детальной разведке Ньоркпахкского месторождения за 1975 г.» породы месторождения по трещиноватости разделяются на:

- сильнотрещиноватые (более 20 трещин на 1п.м);

- среднетрещиноватые (от 10 до 20 трещин на 1 п.м);

- слаботрещиноватые (менее 10 трещин на 1 п.м).

Наибольшая трещиноватость скальных пород наблюдается до глубины 50 м, средняя – в пределах глубин от 50150 до 100300м, слабая – на глубинах ниже 150300 м.

В результате анализа инженерно-геологической информации месторождения можно сделать вывод, что мощность зон трещиноватости значительно увеличивается на глубину распространения дайкового комплекса.

Инженерно-геологические условия разработки месторождения открытым способом средней сложности. Месторождение приурочено, в основном, к крепким скальным породам, пересекаемым разрушенными зонами различной мощности. Основными факторами, определяющими устойчивость бортов и уступов карьера, являются степень трещиноватости и выветрелости скальных пород, их прочностные свойства, а также методика ведения буровзрывных работ при подходе к предельному контуру.

Физико-механические свойства горных пород определяли на образцах правильной формы, изготовляемых из кусков керна длиной более 10 см.

В результате определения физико-механических свойств пород установлено, что горные породы относятся к категории высокопрочных; прочность при сжатии 150 - 260 Па, при растяжении 13 – 21 Мпа.

Напряжённо-деформированное состояние массива пород Ньоркпахкского месторождения относится к гравитационно-тектоническому типу.

Напряжённо-деформированное состояние массива пород в прикарьерном массиве карьеров Восточного рудника ранее исследовалось методом разгрузки (таблица 1.3) [31].

Таблица 1.3 - Результаты определений параметров напряженного состояния массива пород Ньоркпахкского карьера Восточного рудника ОАО «Апатит» согласно [31] Абсолютная отметка Средняя глубина распо- Измеренные параметры напряженного станции, год измере- ложения измерительной состояния массива пород В работах [32] на основе результатов измерений параметров действующих напряжений в массиве пород методом разгрузки на месторождениях Восточного рудника и других карьерах ОАО «Апатит» и Кольского полуострова была установлена зависимость между максимальной компонентой главных напряжений и глубиной. Данная зависимость, при глубине залегания до 500 метров выглядит следующим образом:

где H – глубина, м; 0,1 – коэффициент пропорциональности, МПа/м.

Таблица 1.4 - Ориентировочные значения действующих напряжений в зависимостиот глубин отработки и абсолютных отметок карьеров Восточного рудника Абсолютная отмет- Глубина, м Величина тектонической Величина тектонической Максимальная компонента главных напряжений в пределах месторождений Восточного рудника действует по простиранию рудного тела. Анализ имеющихся материалов показал, что породы месторождения характеризуются высокими показателями деформационно-прочностных свойств, ведут себя как упругие хрупкие тела. Исходя из проведенного анализа приняты расчётные параметры тектонического поля напряжений (таблица 1.4).

1.3 СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД

В настоящее время известны две группы критериев устойчивости обнажений. К первой группе относятся критерии, основанные на прочностном расчете устойчивости обнажений выработок, то есть оценке их прочности [33-43].

Ко второй группе относятся критерии, основанные на деформационном подходе, т.е. оценка устойчивости производится по величине предельных деформаций или перемещений контура выработок [44-54].

Действующими нормативными документами [55] в качестве критерия, для оценки устойчивого состояния породного массива вокруг горизонтальных горных выработок, приняты смещения на контуре их поперечного сечения за весь срок службы при отсутствии крепи, т.е. в незакрепленном состоянии. В зависимости от величины ожидаемых смещений выделяют четыре категории устойчивости пород. Отнесение выработки к той или иной категории устойчивости производится по абсолютной величине максимальных смещений пород на контуре поперечного сечения, которые определяются дифференцированно в кровле, почве и боках выработки.

Выбор и расчет конструктивных параметров крепи выработок для пород II, III и IV категорий устойчивости должен производиться на основе расчета ожидаемых смещений пород и нагрузок на крепь с учетом технологии проведения выработки и возведения крепи.

Расчетная нагрузка на все виды крепи, за исключением рамных податливых, определяется дифференцировано в кровле и почве (в вертикальном направлении), в боках (в горизонтальном направлении), а при угле падения пород от 20 до 50° и по нормали к напластованию.

СНиП II-94-80 обобщает сведения о взаимодействии крепи с массивом, главным образом, угольных шахт и используется для проектирования крепи в породах I-III категорий устойчивости.

Н.С. Булычев [33,34] предложил оценивать устойчивость пород при помощи безразмерных коэффициентов, величина которых принимается на основании практического опыта и натурных наблюдений:

K M K R KW

где KM, KN, KR, KW, Kt, KA, K - коэффициенты, характеризующие соответственно влияние степени трещиноватости пород; число систем трещин; влияние шероховатости стенок трещин; увлажнение пород; влияние раскрытия незаполненных трещин; заполнение трещин раздробленной породой.

Такой подход к оценке устойчивости горных выработок месторождений Восточного рудника ОАО «Апатит» неприменим ввиду того, что разрушение горных пород в окрестности выработок носит хрупкий характер и начинается при смещениях контура выработки всего несколько миллиметров.

Высоконапряженные массивы (тектонически-напряженные) имеют ряд характерных признаков, основные из которых следующие:

- разрушение за счет высокого горного давления выработок начинает проявляться при их строительстве и эксплуатации уже на незначительной глубине (50-100 м);

- локализации разрушений за счет высокого горного давлении лишь в кровле и почве горных выработок при сохранении высокой устойчивости пород в стенках выработок. Проявление разрушений более интенсивно в забоях горизонтальных выработок. В вертикальных выработках резко выражено различие в проявлении горного давления в зависимости от их пространственного расположения;

- более высокая устойчивость выработок и их прочность при одинаковой глубине заложения в менее прочных породах;

- при переходе от одних месторождений к другим, даже расположенным в непосредственной близости друг от друга, при одинаковой глубине и одинаковых свойствах горных пород проявления горного давления различны [55-66].

Для учета приведенных выше особенностей напряженного состояния обнажений в высоконапряженных массивах Тимофеевым О.В. и Трушко В.Л. был предложен квазистатический критерий напряженности элементов выработки [43,49,52]:

где - напряжение в нетронутом массиве по заданному направлению, МПа; K1 коэффициент концентрации напряжений вследствие проходки данной выработки; K 2 - коэффициент изменения напряжений в результате влияния других выработок; K д - коэффициент дополнительной концентрации напряжений от динамического воздействия (взрывных работ, горного удара); R - предельное сопротивление породы, равное пределу прочности образца на одноосное сжатие при кратковременном нагружении, МПа; K c - коэффициент структурного ослабления массива; в - коэффициент длительной прочности, учитывающий снижение прочности под влиянием длительной нагрузки; K у - коэффициент упрочнения массива пород; - коэффициент изменения сопротивления породы при динамическом нагружении и за счет усталостных явлений.

Основой классификации выработок по устойчивости с использованием квазистатического критерия являются четыре основных стадии потери устойчивости горных выработок [49].

1. Устойчивое состояние незакрепленной горной выработки будет обеспечено, если суммарная величина статических и динамических напряжений на контуре выработки не превысит расчетный предел прочности пород R, что соответствует величине критерия напряженности элементов выработки (кровля, бока) меньше 1 ( Пдв < 1).

На этом участке увеличение скорости деформирования, при динамических воздействиях, вызывает изменение механических свойств и структурных преобразований в породах, аналогичные тем, которые вызываются действием бокового давления. Происходит увеличение прочности горных пород, за счет упрочнения по площадкам отрыва, вызванное скоростным воздействием. Процесс деформирования соответствует восходящему участку полной диаграммы "напряжение-деформация" в породных массивах данного типа.

2. Предельное состояние незакрепленной горной выработки имеет место тогда, когда суммарная величина статических и динамических напряжений на контуре выработки будет примерно равна расчетному пределу прочности пород (R). что соответствует величине критерия напряженности Пдв =11,3. Процесс деформирования в породных массивах данного типа соответствует вершине полной диаграммы "напряжение-деформация".

3. Неустойчивое состояние незакрепленной горной выработки имеет место тогда, когда суммарная величина статических и динамических напряжений на контуре выработки превысит предел прочности пород в массиве не более чем в раза, что соответствует диапазону изменения Пдв от 1,31 до 3,0. На этой стадии деформирования породный массив еще находится в допредельном состоянии до проведения выработки, за счет объемного напряженного состояния. При проведении выработки в результате его изменения и перехода к плоскому, на контуре выработки снижается предел прочности пород и массив переходит в запредельное состояние, т.к. прочностные показатели пород на сжатие при плоском напряженном состоянии мало отличаются от прочности, получаемой при одноосном сжатии. Процесс деформирования в породных массивах данною типа соответствует нисходящему участку полной диаграммы "напряжениедеформация". На этом участке влияние скорости деформирования породного массива на абсолютное изменение прочностных показателей породного массива снижается.

4. Весьма неустойчивое состояние незакрепленной горной выработки имеет место тогда, когда суммарная величина статических и динамических напряжений на контуре выработки превысит предел прочности пород в массиве более чем в 3 раза ( Пдв > 3). На этой стадии деформирования породный массив уже находится в запредельном состоянии до проведения выработки и в нем имеют место процессы трещинообразования. При проведении выработки процесс деформирования в породных массивах данного типа соответствует переходу на горизонтальный участок (остаточной прочности) полной диаграммы «напряжениедеформация». Абсолютная величина скоростного упрочнения массива на этом участке минимальна.

Классификации незакрепленных горных выработок по устойчивости по квазистатическому критерию напряженности приведена в таблице 1.5.

Таблица 1.5 – Классификация незакрепленных горных выработок по устойчивости по квазистатическому критерию напряженности [44] Величина, катеСтепень устойчивости пород и проявления горного давления в незагория и состояние крепленной выработке устойчивости Пдв 3,0 шение и смещение пород начинаются вскоре после обнажения и не IV категория – очень затухают длительное время (более 6 месяцев). Наблюдается интеннеустойчивое состоя- сивное заколообразование и мелкоплитчатое отслоение пород в приние забойной зоне

1.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Анализ практики применения комбинированной технологии по отечественным и зарубежным рудникам показывает, что большая часть рудников осуществляет разработку подкарьерных запасов при последовательном открытоподземном совмещении горных работ;

2. На изучение способов обеспечения устойчивости подготовительных горных выработок при отработке подкарьерных запасов не акцентируются значительного внимания, хотя выбор оптимальных видов и параметров крепей выработок обеспечит повышение срока их службы, повысит безопасность ведения работ и снизит затраты по перекреплению выработок;

3. Существующие геомеханические исследования комбинированной разработки рудных месторождений в основном направлены на определение особенностей изменения напряжений в целиках, потолочинах, обнажений, и не рассматривают напряженно-деформированное состояния массивов вмещающих подготовительные горные выработки;

4. Для обеспечения устойчивости выработок, проводимых в подкарьерном массиве, требуются разработка комплексной методики определения напряженнодеформированного состояния массива учитывающей, кроме известных факторов, влияние карьера.

Целью диссертационной работы является обеспечение устойчивости подготовительных выработок при отработке подкарьерных запасов карьеров Восточного рудника ОАО «Апатит».

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- проведение лабораторных исследований физико-механических свойств руд и вмещающих пород;

- проведение натурных наблюдений за проявлениями горного давления в подготовительных выработках на рудниках ОАО «Апатит»;

- проведение численного моделирования по исследованию параметров полей напряжений в подкарьерном массиве при комбинированной открытоподземной разработке месторождения;

- разработка конечно-элементных моделей массива рудных месторождений при отработке подкарьерных запасов и установление закономерностей изменения поля напряжений;

- обоснование рациональных типов и параметров крепей подготовительных выработок, расположенных в подкарьерном массиве.

ГЛАВА 2 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ ПОРОД

2.1 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД

2.1.1 Определение деформационно-прочностных характеристик горных пород Для разработки методик расчета напряженно-деформированного состояния массива основными исходными параметрами пород являются их деформационные и прочностные характеристики.

Модуль упругости Еу определяли в соответствии с ГОСТ[56]. Сущность метода заключается в измерении сжимающей силы, приложенной к торцам цилиндрического образца, продольных и поперечных деформаций его, вызванных этой силой. Для испытания были изготовлены цилиндрические образцы диаметром, равным диаметру кернового материала, и высотой, составлявшей (2,0±0,1) от диаметра.

Деформационные характеристики определялись в обязательном (для данного вида механических испытаний) диапазоне осевых напряжений от 5 до 50% от величины предела прочности при одноосном сжатии.

Образцы с плоскими, параллельными торцами, перпендикулярными к гладкой боковой поверхности, деформировали в установке для испытаний на сдвиг Direct Shear Test System производства MTS Systems Corporation (рисунок 2.1), рассчитанной на создание сжимающего усилия до 1509,2 кН. Для измерения силы и деформаций образцов была применена специальная аппаратура.

Испытания образцов проводились для определения следующих деформационных показателей: зависимости «напряжение – деформация»; модуля упругости Еу; коэффициента Пуассона µ; модуля общей деформации Ед; коэффициента поперечной деформации. Сущность метода заключается в измерении сжимающей силы, приложенной к торцам образца, а также его продольных и поперечных деформаций, вызванных этой силой.

Рисунок 2.1 - Установка для испытаний на сдвиг Direct Shear Test System.

Метод испытания [56] предусматривает знание или предварительное определение предела прочности при одноосном сжатии испытываемой породы.

Деформационные характеристики горных пород определяются в диапазоне требуемых напряжений. При этом диапазон напряжений от 5 до 50% от предела прочности породы при одноосном сжатии является обязательным.

Для испытания изготовляются цилиндрические образцы. Торцевые поверхности образца должны быть плоскими, параллельными друг другу и перпендикулярными к боковой поверхности.

Допускаемая шероховатость поверхности образца в зоне контакта с датчиками деформации (тензорезисторами или тензометрами) – не более 0,2 мм.

База измерения деформации была не менее 15 мм, превышала линейный размер зерен (неоднородностей), слагающих образец, не менее чем в 10 раз и располагалась симметрично по отношению к середине образца. База измерения продольной деформации не превышала диаметр образца.

Подготовленный к испытанию образец, оснащенный датчиками деформаций, устанавливался на испытательной машине. Датчики деформаций подключались к регистрирующей аппаратуре. Образец нагружался до начального напряжения о (напряжения пригрузки), составляющего 5% от предела прочности при одноосном сжатии (о = 0,05сж). Значения деформаций при напряжении о принимались за условный ноль отсчета деформаций.

Значения нагрузок Р, зафиксированные силоизмерителем испытательной машины и соответствующие им показания приборов для деформаций (продольных 1 и поперечных 2) записывались в журнал испытаний.

По результатам испытаний строились графики зависимостей «напряжение - деформация » (рисунок 2.2), на которых каждому зафиксированному уровню напряжений о, н, к, m соответствуют относительные деформации образца: продольные 1 – при нагружении 10, 1н, 1к, 1m и разгрузке /10, /1н, /1к, /1m;

поперечные 2 – при нагружении 20, 2н, 2к, 2m и разгрузке /20, /2н, /2к, /2m.

Рисунок 2.2 - График зависимостей «напряжение - деформации 1, Модуль общей деформации Ед и коэффициент поперечной деформации в заданном диапазоне напряжений (н - к) определяются по нагрузочным ветвям зависимостей - по формулам:

- модуль общей деформации (Ед) в МПа:

- коэффициент поперечной деформации ():

Модуль упругости Еу и коэффициент Пуассона µ определяются в этом же диапазоне напряжений по разгрузочным ветвям зависимостей - по формулам:

- модуль упругости (Еу) в МПа:

- коэффициент Пуассона (µ):

где к, н – напряжения в конце и начале диапазона при нагружении или разгрузке, МПа; 1к, 1н – относительные продольные деформации образца в конце и начале диапазона при нагружении; 2к, 2н – относительные поперечные деформации образца в конце и начале диапазона при нагружении; /1к, /1н – относительные продольные деформации образца в конце и начале диапазона при разгрузке; /2к, /2н – относительные поперечные деформации образца в конце и начале диапазона при разгрузке.

Подготовленный образец горной породы к испытаниям на односное сжатие с установленными датчиками продольных и поперечных деформаций представлен на рисунке 2. Рисунок 2.4 – Подготовленный образец горной породы с установленными датчиками продольных и поперечных деформаций к испытаниям на одноосное сжатие Определение предела прочности горных пород при одноосном растяжении выполнено в соответствии с ГОСТ [57] путем разрушения цилиндрических образцов сжатием по образующим. Метод предназначен для исследовательских и массовых испытаний с целью определения предела прочности при растяжении в направлении, перпендикулярном к заданному продольному сечению образца.

Сущность метода заключается в измерении разрушающей силы, приложенной к образцу через стальные встречно направленные плиты или клинья. Предел прочности при одноосном растяжении ц вычисляли по формуле:

где P – разрушающая сила, кН; S – площадь разрыва образца, равная произведению диаметра образца на его длину, см2; K – коэффициент пропорциональности, равный 0,64 при нагружении плитами.

Испытания выполнены на цилиндрических образцах диаметром 63 мм (из фрагментов керна) и 30 мм (из блоков неправильной формы). Длина образцов приблизительно равнялась диаметру (рисунок 2.4).

Для определения прочности при растяжении цилиндрические образцы, длина которых была приблизительно равна диаметру (отношение m длины образца к его диаметру должно равняться 1,0±0,1), были подвергнуты раскалыванию путем сжатия парой клиньев (стальных стержней диаметром 6 мм) в сооснике БУ64, установленном в универсальной гидравлической испытательной машине ZD 100 № 283/65/50 (WERKSTOFFPRUFMASCHINEN, Германия), рассчитанной на нагрузку до 1000 кН с погрешностью ±0,5 кН.

Предел прочности горных пород при одноосном сжатии c определяли в соответствии с ГОСТ [58]. Сущность метода заключается в измерении максимальной разрушающей силы, приложенной к торцам образца правильной формы через стальные плоские плиты (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Схема испытаний на одноосное сжатие: 1 - накладная пята; 2 - подкладная пята; 3 – верхняя пята; 4 – обойма; 5 – образец; 6 – нижняя плита Предел прочности при одноосном сжатии вычисляли по формуле 2.6.

где Рразр – разрушающая образец сила, кН; Sо – площадь поперечного сечения образца, см2; Kв - безразмерный коэффициент высоты образца, равный 1, при отношении высоты к диаметру, равным 2±0,05.

При определении прочности при сжатии цилиндрические образцы были подвергнуты разрушению путем равномерного и непрерывного нагружения со скоростью 0,5-1,0 МПа/сек в установке для испытаний на сдвиг Direct Shear Test System производства MTS Systems Corporation, рассчитанной на создание сжимающего усилия до 1509,2 кН.

2.2.2 Экспресс методика проведения упрощенных лабораторных исследований Для определения необходимого количества свойств горных пород в работе применялся экспресс-метод упрощенных лабораторных испытаний [59-69]. в настоящее время определнение физико-механических свойств горных пород выполняют в лабораторных условиях на образцах правильной геометрической формы, либо в полевых условиях с помощью переносных устройств на образцах произвольной формы. Способ определения механических свойств образцов горных пород и материалов, включающий нагружение образца двумя встречно направленными сферическими инденторами до его раскалывания, фиксирование разрушающей силы, определение в разрушенном образце площади поверхности трещины отрыва, проходящей через ось нагружения, и геометрических параметров разрушенных зон в областях контакта с обоими сферическими инденторами, вычисление растягивающего напряжения разрыва образца и среднего сжимающего напряжения на границе большей из разрушенных зон, и определение в качестве механических свойств образца предела прочности и сопротивления срезу.

На рисунке 2.6 представлена схема нагрузочного устройства для реализации данного способа.

Нагрузочное устройство должно обеспечивать приложение к образцу сжимающей силы двумя соосными встречно направленными сферическими инденторами. Корпус 1 устройства представляет собой жесткую раму, внутри которой на оси нагружения 00 размещается подвижная пара штоков 2 с вкладышами 3, содержащими стальные сферические инденторы 4 для передачи нагрузки на образец 5. Способ осуществляют следующим образом. Образец устанавливают между сферическими инденторами и равномерно нагружают с регистрацией сжимающей силы P. Допускается испытание образцов произвольной, в том числе неправильной, формы с необработанными поверхностями. С ростом нагрузки в образце в областях контакта со сферическими инденторами развиваются разрушенные зоны раздробленного, уплотняемого при сжатии материала. Более интенсивно развивается зона в слабейшей по прочности области образца. При достижении предельного напряженного состояния на границе большей из разрушенных зон, возникает трещина отрыва 6, которая, смыкаясь со второй зоной, раскалывает образец на обломки 7 и 8. Затем из обломков образца собирают составной образец.

Рисунок 2.6 – Схема нагрузочного устройства и составного разрушенного образца:

1 – корпус устройства, 2 - штоки, 3 - вкладыши, 4 – сферические инденторы, 5 - образец, 6 – трещина отрыва, 7 и 8 – обломки разрушенного образца, 9 – лунка выкола, 10 – остаточный отпечаток от индентора Для этого обломки прикладывают друг к другу, обеспечивая плотный контакт вдоль трещины отрыва. В составном образце определяют геометрические параметры разрушенных зон - диаметр остаточных отпечатков от инденторов Dотп и длину лунок выкола вдоль поверхности трещины отрыва Lл. При этом границы лунки выкола выделяют по большему раскрытию берегов трещины в пределах выкола, а диаметр остаточного отпечатка предпочтительнее измерять в направлении, перпендикулярном трещине отрыва. Для упрощения и повышения точности измерений геометрические параметры разрушенных зон рекомендуется определять путем фотографирования образца совместно с измерительной линейкой и последующей обработки увеличенного на мониторе компьютера изображения.

Вычисляют площадь поверхностей разрушенных зон на контакте с обоими инденторами F1 и F2 как поверхностей тела в форме эллипсоида, по формуле:

Выбирают большее из двух значений F1 и F2 - F.

Рассчитывают растягивающее напряжение разрыва образца t и среднее сжимающее напряжение p на границе большей из разрушенных зон по формулам 2.8, 2.9:

Определяют предел прочности при всестороннем растяжении врк, максимальное сопротивление срезу maxк и коэффициент Пуассона µ по формулам 2.10-2.12:

2.2 РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ОСНОВНЫХ ЛИТОТИПОВ ГОРНЫХ ПОРОД ВОСТОЧНОГО РУДНИКА

Подготовка образцов горных пород к лабораторным исследованиям заключалась в придании им требуемых формы и размеров путем обработки на специальном камнерезном оборудовании. Глубина отбора керна вмещающих горных пород соответствует предварительно сформированных предпроектным планам отработки подкарьерного массива Коашвинского карьера [30-32]. Отобранный керн представлен на рисунке 2.7. Подготовленные к стандартным видам испытания образцы вмещающих горных пород представлены на рисунке 2.8.

Рисунок 2.7 – Отобранный керн горных пород подкарьерного массива Коашкинского Примеры фотографий разрушенных образцов горных пород методом передачи нагрузки встречными сферическими инденторами, исходя из которой определялись коэффициенты Пуассона и прочностные характеристики пород с целью набора статистических данных представительной пробы в соответствии с ГОСТ[56-58], представлены на рисунке 2.9.

Рисунок 2.8 - Подготовленные образцы основных литотипов горных пород Коашвинского месторождения: 1 – Уртит среднезернистый с полевым шпатом; 2 – Уртит пегматоидный; 3 – Пегматит; 4- Ювит;5- Уртит мелкозернистый; 6- Уртит среднезернистый; 7- Уртит неравномерно-зернистый; 8- Уртит среднезернистый “Порфировидный”; 9- Иолит.

Рисунок 2.9 – Разрушенные образцы горных пород, подготовленные к определению механических свойств по экспресс методике упрощенных лабораторных испытаний Результаты прочностных и деформационных характеристик основных литотипов вмещающих горных пород Коашвинского месторождения, выполненных стандартными методиками и экспресс-методами, представлены в таблице 2.1 и 2.2.

Таблица 2.1 - Прочностные характеристики основных литотипов вмещающих горных пород Коашвинского месторождения Уртит среднезернистый с по- Уртит мелкозернистый Уртит среднезернистый Уртит нераномернозернистый Уртит среднезернистый “Пор- *в числителе – минимальное и максимальное значение, в знаменателе – среднее Таблица 2.2 - Деформационные характеристики основных литотипов вмещающих горных пород Коашвинского месторождения Уртит нераномернозернистый “Порфировидный” *в числителе – минимальное и максимальное значение, в знаменателе – среднее Исходя из анализа проведенных лабораторных испытаний горных пород приняты усреднённые физико-механические характеристики (таблица 2.3), используемые в моделировании.

Таблица 2.3 - Физико-механические свойства пород и руд (используемые в расчетах) В результате определения физико-механических свойств вмещающих пород Коашвинского месторождения установлено, что горные породы относятся к категории высокопрочных; прочность при сжатии 117 – 385 МПа, при растяжении 3,3 – 12 МПа.

Также следует отметить высокий показатель коэффициента хрупкости пород, из чего следует, с учетом наличия высоких действующих значений тектонических напряжений в массиве, что месторождение следует отнести к ударопасному. Полученные в процессе лабораторных исследований прочностные и деформационные свойства пород являются исходными данными для моделирования (таблица 2.3).

ГЛАВА 3 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДКАРЬЕРНОГО МАССИВА

ВОСТОЧНОГО РУДНИКА ОАО «АПАТИТ»

3.1 МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВОКРУГ ВЫРАБОТОК ПРИ ОТРАБОТКЕ ПОДКАРЬЕРНЫХ ЗАПАСОВ

ВОСТОЧНОГО РУДНИКА ОАО «АПАТИТ»

3.1.1 Общие сведения об объекте исследования и постановка задачи для моделирования В работе в качестве объекта исследования принято Коашвинское месторождение Восточного рудника ОАО «Апатит». Наиболее значимые факторы, усложняющие отработку данного месторождения, по сравнению с другими действующими рудниками характеризуются следующими факторами: угол падения рудного тела колеблется от 15 до 45 град.; различная горизонтальная мощность залежи, с колебаниями от 8-10 м до 250 м, составляющая в среднем 60-80 м;

наличие 4 основных и 4 второстепенных рудных тел, залегающих относительно друг друга субпараллельно; значительная разница в запасах по этажам: если на двух верхних этажах запасы руды не превышают 29 млн. тонн (+20/+80 м, м), то запасы руды на пяти следующих этажах колеблются от 46 до млн. тонн, составляя 60% от суммарных запасов. На рисунках 3.1 представлен план поверхности карьера.

В рамках регламента на отработку Коашвинского месторождения подземным способом, выполненного в Горном университете, были посчитаны подкарьерные запасы, целесообразные для выемки подземным способом, на отметках +160 -500м. В первую очередь строительства рудника планируется отработка запасов с отметки +160 м-300 м, в непосредственной близости от дна карьера, что предполагает необходимость оценки напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива, вмещающие подготовительные горные выработки.

Рисунок 3.1 - План поверхности Коашвинского карьера Восточного рудника ОАО "Апатит" Таким образом, в первую очередь необходимо установить влияние карьера на компоненты гравитационно-тектонического поля напряжений в подкарьерном массиве.

В работе решение задач, связанных с определение напряженнодеформированного состояния подкарьерного массива использовалось численное моделирование с помощью метода конечных элементов [70-80].

Разработана пространственная модель прогноза напряженнодеформированного состояния подкарьерного массива Коашвинского карьера до начала ведения подземных горных работ.

На первом шаге с использованием геологических разрезов и плана Кошвинского карьера сформирована пространственная модель. На рисунке 3. представлен общий вид трехмерной модели карьера и рельефа местности, в дальнейшем используемая для создания конечно-элементной модели.

Рисунок 3.2 - Пространственная модель массива Коашвинского карьера Восточного рудника На следующем этапе пространственная модель массива разбивается на сетку конечных элементов. На рисунке 3.3 представлен вид конечно элементной сетки. Желтой штрих-пунктирной линией указано направление залегания рудного тела.

Рисунок 3.3 – Пространственная конечно-элементная модель массива Коашвинского карьера Одним из важных этапов при численном моделировании методом конечных элементов является выбор граничных условий. Размер модели, тип и размер элементов задается с учетом сходимости с натурными данными. Чаще всего выполнение данного условия выполняется при помощи ряда плоских конечноэлементных моделей[76-80] Размеры модели составляет 30000х30000х6000 м. В качестве типа конечных элементов приняты десятиузловые тетраэдры. Напряженное состояние задавалось с учетом гравитационных и тектонических полей напряжений. Массив горных пород задавался как линейно-деформируемый, что в первую очередь связано с характером деформирования образцов горных пород Восточного рудника, которые можно характеризовать как прочные упругие породы с незначительной частью пластических деформаций. Плотностные и деформационные характеристики, принятые в модели представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Физико-механические свойства пород и руд, используемые в моделировании Граничные условия заданы следующим образом: модели запрещались смещения по нижней грани – в направлении оси Z, по боковым граням – в направлении оси X, по торцевым граням – в направлении оси Y, верхняя грань модели оставлялась свободно деформируемой. Для учета тектонического поля напряжений вводятся дополнительные условия. Для начала необходимо конкретизировать величину и изменчивость составляющих тектонического поля напряжений по различным направлениям. По результатам анализа нормативной и научной литературы для условий отработки рудников Кольского полуострова (в частности Коашвинского и Ньоркпахкского месторождений) получены следующие величины напряжений в массиве по различным направлениям (таблица 3.2).

Таблица 3.2 - Величина тектонических напряжений в массиве № п/п Глубина от Величина напряжений по Величина напряжений по направповерхности направлению простирания руд- лению вкрест простирания рудноного тела, МПа го тела, МПа Тектонические напряжения с учетом их изменения с глубиной задаются линейно возрастающими, в соответствии с расчетной схемой, представленной на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 –расчетная схема конечно-элементной модели 3.1.2 Анализ напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива с учетом гравитационно-тектонического поля напряжений На начальном этапе исследования напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива определим величины главных напряжений. Эпюры распределения главных напряжений в массиве в непосредственной близости от дна карьера, полученные в рамках численного моделирования методом конечных элементов, по центральным разрезам карьера представлены на рисунке 3.5.

Черной линией помечен предельный контур карьера. Здесь и далее на эпюрах отрицательные значения напряжений являются сжимающими, а с положительным знаком соответственно растягивающими. Из представленных эпюр распределения главных напряжений в массиве, полученных вследствие разработки карьера, можно заключить следующее. Карьер вызывает перераспределение напряжений в массиве вблизи карьера, что заметно по трем компонентам главных напряжений. Происходит формирование зон концентрации напряжений в подкарьерном и прибортовом массиве, вне зависимости от ориентации компоненты напряжений тектонических напряжений, и с увеличением расстояния от контура карьера влияние уменьшается.

Рисунок 3.5 – Эпюры распределения главных максимальных напряжений в прикарьерном массиве Коашвинского карьера: а) - 1; б) - 2; в) - 3.

На следующем этапе исследования рассмотрим эпюры распределения главных напряжений по продольному и поперечному центральных разрезах карьера, представленных на рисунках 3.6, 3.7.

Рисунок 3.6 – Эпюры распределения главных максимальных напряжений 1,2,3 в прикарьерном массиве по продольному центральному разрезу Коашвинского карьера:

Анализируя полученные эпюры распределения главных напряжений по продольному и поперечному центральных разрезах карьера следует заключить, что перераспределение напряжений и формирование зон концентрации сохраняется по всей ширине и длине карьера в подкарьерном массиве. При этом следует отметить, что наибольшее влияние карьер на концентрации главных напряжений оказывает вдоль центральной оси карьера.

Рисунок 3.7 – Эпюры распределения главных максимальных напряжений 1,2,3 в прикарьерном массиве по поперечному центральному разрезу Коашвинского карьера:

Черной линией указан непосредственный контур карьера. Модель с разметкой расстояния до поверхности дна карьера и помеченной центральной осью представлена на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 – Модель с разметкой расстояния до поверхности дна карьера Для анализа качественных особенностей формирования зон концентрации и разгрузки от напряжений подкарьерного массива. На рисунках 3.9- 3.11 приведены эпюры распределения главных максимальных напряжений в плоскостях, расположенных ниже дна карьера с шагом в 100 м.

Рисунок 3.9 – Эпюра распределения главных максимальных напряжений 1 в сечении на расстоянии до дна карьера: а) 50 метров; б) 150 метров; в) 250 метров; г) 350 метров Рисунок 3.10 – Эпюра распределения главных максимальных напряжений 2 в сечении на расстоянии до дна карьера: а) 50 метров; б) 150 метров; в) 250 метров; г) 350 метров Рисунок 3.11 – Эпюра распределения главных максимальных напряжений 3 в сечении на расстоянии до дна карьера: а) 50 метров; б) 150 метров; в) 250 метров; г) 350 метров Исходя из представленных эпюр распределения главных максимальных напряжений в подкарьерном массиве, можно отметить следующее. Формирование зон концентрации напряжений зависит от расстояния до абсолютной отметки дна карьера. Также следует, что зона существенных концентраций главных максимальных напряжений 1, 2, 3 в подкарьерном массиве составляет 350 метров до поверхности дна карьера.

На следующем этапе проведем количественную оценку формирования зон концентрации напряжений в подкарьерном массиве. С целью оценки влияния карьера на формирование зон концентрации напряжений рассмотрим вариант модели без учета карьерной выемки.

Для определения ориентации действия главных максимальных напряжений 1, 2, 3 перейдем к компонентам напряжений x, y, z, ориентированных по оси координат, представленной на рисунке 3.4.

Наибольшее главное напряжение 1 соответствует направлению вдоль простирания рудного тела, и соответственно оси x, что связано с ориентацией действия наибольшей компоненты тектонических напряжений, действующее вдоль протяженной части карьера. Среднее главное напряжение 2 соответствует направлению поперек протяженной части карьера, соответствующее оси z, что также связано с действием наименьшим компонентом тектонических напряжений, действующим вкрест рудного тела, а следовательно поперек протяженной части карьера. Наименьшее главное напряжение 3 следовательно соответствует вертикальному напряжению, вызванное гравитационными силами горных пород и боковым отпором горных пород вследствие действия горизонтальных тектонических напряжений.

В связи с вышесказанным, справедливы следующие равенства:

Для количественной оценки концентрации напряжений в подкарьерном массиве приведем зависимость изменения коэффициента концентрации главных напряжений от расстояния до дна карьера, представленная на рисунке 3.12. Коэффициент концентрации напряжений в данном случае равен отношению значений напряжений, полученных в численной модели в случае отработки карьерной выемки, к варианту без влияния карьерной выемки.

Рисунок 3.12 – Изменение коэффициента концентрации главных максимальных напряжений по центральной оси в зависимости от расстояния до дна карьера с учетом карьерной выемки.

По представленной зависимости следует отметить следующее. Влияния карьера на значения концентрации главных максимальных напряжений представлено сложным характером работы. Значительное влияние карьер оказывает на наибольшую составляющую горизонтальных напряжений, ориентированных в направлении вдоль протяженной части карьера, где наибольшее значение коэффициента концентрации составляет 2,0 в непосредственной близости дна карьера. С увеличением расстояния до дна карьера влияние карьерной выемки экспоненциально уменьшается, и при достижении расстояния 320 метров и выше, влияние карьера на напряжения незначительно, и не превышает 5 процентов.

Характер влияния карьера на наименьшую составляющую горизонтальных напряжений z, ориентированных в направлении поперек протяженной части карьера качественно схож с x,. Так в непосредственной близости от дна карьера коэффициент концентрации составляет 1,4, а глубина существенного влияния равна расстоянию до дна карьера 350 метров.

В случае с коэффициентом концентрации вертикальных составляющих напряжений y в подкарьерном массиве формируется зона пониженных напряжений, связанная со снятием гравитационной составляющей поля напряжений.

При увеличении глубины значения вертикальных напряжений в подкарьерном массиве увеличиваются, и при достижении зоны влияния карьера, принимают значения, соответствующие для нетронутого массива. Зона существенного влияния карьера для всех составляющих напряжений не превышает 350 метров.

Для исследования влияния действия тектонических напряжений на смещения в прикарьерной области на рисунке 3.13 и 3.14 представлено распределение результирующих векторов смещений в центральных разрезах карьера.

Рисунок 3.13 – Распределение результирующих векторов смещений в прикарьерном массиве Рисунок 3.14 – Распределение результирующих векторов смещений в прикарьерном массиве Исходя из представленных распределений результирующих векторов смещений в прикарьерном массиве, следует отметить. После вскрытия карьерной выемки, результирующие векторы смещений направлены к образовавшейся полости, что приводит к образованию в прикарьерной области дополнительных вертикальных сжимающих напряжений, величиной зависящей от действующих тектонических напряжений. Это объясняется тем, что при снятии вертикальной составляющей гравитационных напряжений, которая в модели представлена карьерной выемкой, в прикарьерной области массива стали в значительной степени преобладать горизонтальные тектонические напряжения, теперь не компенсируемые гравитационным полем напряжений. При преобладании вертикальных напряжений в массиве, их часть переходит в горизонтальную составляющую, величиной зависящую от коэффициента бокового распора пород, который в свою очередь зависит от коэффициента Пуассона [93-95]. В рассматриваемом случае часть горизонтальных напряжений переходят в вертикальные напряжения, что приводит к образованию в прикарьерном массиве вертикальных сжимающих напряжений на глубинах, не соответствующая гравитационной составляющей поля напряжений.

На рисунке 3.15 представлена общая усредненная зависимость изменения коэффициента концентрации напряжений в подкарьерном массиве от расстояния до дна карьера.

Рисунок 3.15 – Зависимость изменения действующих напряжений в подкарьерном массиве от расстояния до дна карьера: x – напряжения в направлении простирания рудного тела;

y - вертикальные напряжения; z - напряжения в направлении вкрест простирания.

На зависимости изменения значений действующих напряжений в подкарьерном массиве заметны характерные зоны падения значений напряжений в направлении, как простирания, так и вкрест простирания рудного тела. При этом вертикальная компонента поля напряжений имеет выраженную зону разгрузки от напряжений, исходя из чего, донную часть карьера можно охарактеризовать как массив, с преобладающим действием в нем горизонтальных напряжений.

Из установленных особенностей формирования напряженного состояния в подкарьерном массиве можно заключить, что пространственная модель прогноза напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива, вмещающего подготовительные выработки, должна учитывать, кроме других значимых факторов, его геологическое строение, размеры карьера, а также, особенности перераспределения компонентов гравитационно-тектонического поля в подкарьерном массиве.

3.2 МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДКАРЬЕРНОГО МАССИВА ПРИ ОТРАБОТКЕ ПОДКАРЬЕРНЫХ

ЗАПАСОВ

Необходимо установить влияние карьерной выемки на напряженнодеформированное состояние вокруг выработок, находящихся непосредственно под дном карьера. В этой связи выполнено ряд плоских конечно-элементных моделей, расчетная схема которых представлена на рисунке 3.16.

Рисунок 3.16 - Расчетная схема конечно-элементной модели карьера, вмещающего горные выработки: Tx – тектонические напряжения в направлении вкрест простирания рудного тела;

Расположение горных выработок и их соответствующая привязка к горизонтам отработки представлена на рисунке 3.17. Горизонты разработки выбраны в соответствии с фактическим расстоянием до дна карьера.

На рисунке 3.18 представлены фрагменты конечно-элементной сетки рассмотренных моделей.

Рисунок 3.18 – фрагмент конечно-элементной схемы:

а) – модель без учета карьерной выемки; б) – модель с учетом карьерной выемки В модели принят однородный линейно-деформируемый массив, с модулем упругости 50000 МПа, коэффициентом Пуассона 0,21, и плотностью пород равной 2830 кг/м3. Для оценки влияния карьера на напряженно-деформированное состояние массива вокруг выработок подкарьерного массива реализовано две модели, с учетом и без учета карьерной выемки. Параметры принятые в модели:

число элементов – 240000; тип элементов – четырехугольные; минимальный линейный размер элемента – 0,2 м; максимальный линейный размер элемента - 5 м.

3.2.2 Анализ напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива, На первом этапе исследования рассмотрим качественное изменение напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива, вмещающего горные выработки, в непосредственной близости от дна карьера. На рисунке 3. представлены эпюры распределения вертикальных напряжений в подкарьерном массиве вокруг горных выработок.

Рисунок 3.19 – Эпюры распределения вертикальных напряжений в подкарьерном массиве вокруг горных выработок:

а) –без учета карьерной выемки; б) –с учетом карьерной выемки Из представленных эпюр распределения вертикальных напряжений можно заключить следующее. Разработка карьера приводит к незначительному росту вертикальных напряжений непосредственно под дном карьера. Данный рост напряжений подтвержден в исследовании напряженно-деформированного состояния в пространственной модели Коашвинского карьера, описанной в пункте 3.2.1. При некотором отклонении в горизонтальной плоскости от центральной оси в прикарьерном массиве заметно выражены зоны разгрузки от вертикальных напряжений, что в свою очередь зависят от влияния борта карьера, исследование которых детально рассмотрено в работах Куранова А.Д. [81-87]. С увеличением расстояния от дна карьера вертикальные напряжения в подкарьерном массиве стремятся к значениям напряжений, соответствующим варианту без разработки карьерной выемки. На следующем этапе рассмотрим влияния карьера на распределение горизонтальных напряжений. На рисунке 3.20 представлены эпюры распределения горизонтальных напряжений в подкарьерном массиве вокруг горных выработок.

Рисунок 3.20 – Эпюры распределения вертикальных напряжений в подкарьерном массиве вокруг горных выработок:

а) –без учета карьерной выемки; б) –с учетом карьерной выемки Из представленных выше эпюр можно отметить следующее. Разработка карьера приводит к перераспределению горизонтальных напряжений в прикарьерном и подкарьерном массивах. Горизонтальные напряжения в значительной степени увеличиваются в подкарьерном массиве непосредственно под дном карьера, а с увеличением глубины или отклонения от центральной оси горных выработок значение напряжений стремятся к случаю без учета карьерной выемки.

Из этого можно заключить, что изменение напряжений в подкарьерном массиве вокруг горных выработок в наибольшей степени зависят от расстояния до дна карьера.

Следует также отметить, что подкарьерный массив характеризуется преобладающими значениями горизонтальных над вертикальными составляющими напряжений. Это особенность вызвана наличием в массиве значительных неравнокомпонентных горизонтальных тектонических напряжений.

На следующем этапе рассмотрим количественные значения напряжений, возникающие на контуре выработок подкарьерного массива. Для этого подробно рассмотрим напряженно-деформированное состояние вокруг горной выработки №5, расположенной вдоль центральной оси карьера на расстоянии 50 метров от выработки до непосредственного дна карьера. На рисунке 3.21 представлены эпюра распределения вертикальных напряжений вокруг горной выработки, находящейся в непосредственной близости от дна карьера.

Рисунок 3.21 – Эпюры распределения вертикальных напряжений в подкарьерном массиве вокруг горной выработки, находящейся в непосредственной близости от дна карьера:

а) –без учета карьерной выемки; б) –с учетом карьерной выемки.

Из представленных эпюр следует отметить следующее. Разработка карьера в значительной степени приводит к разгрузке от вертикальных напряжений вокруг горной выработки, находящейся в непосредственной близости от дна карьера. Также в боках выработки в сравнении со случаем без учета карьерной выемки пропадают растягивающие компоненты вертикальных напряжений. Это связано со значительным уменьшением гравитационной составляющей напряжений.

В целом значения вертикальных напряжений при варианте разработки карьера на контуре выработок в 1,5-2 раза меньше, чем в случае отсутствия карьерной выемки.

Рисунок 3.22 – Эпюры распределения горизонтальных напряжений в подкарьерном массиве вокруг горной выработки, находящейся в непосредственной близости от дна карьера:

а) –без учета карьерной выемки; б) –с учетом карьерной выемки.

На рисунке 3.22 представлены эпюра распределения горизонтальных напряжений вокруг горной выработки, находящейся в непосредственной близости от дна карьера.

По представленным эпюрам можно заметить, что качественный характер распределения горизонтальных напряжений вокруг горной выработки, расположенной вблизи дна карьера, не изменяется. При этом количественные значения горизонтальных напряжений на контуре выработки при разработке карьера на 20-30% выше, чем в случае отсутствия карьерной выемки. В наибольшей степени рост значений напряжений происходит в кровле выработки, а в наименьшей степени в ее боках.

Исходя из эпюр, представленных на рисунке 3.19 и 3.20 можно сделать вывод, что наибольшие сжимающие напряжения, возникающие на контуре выработки, соответствуют горизонтальной составляющей напряжений.

Далее рассмотрим зону влияния карьера на значения максимальных сжимающих напряжений на контуре выработок подкарьерного и прикарьерного массивов. В первую очередь рассмотрим выработки, находящиеся непосредственно под дном карьера вдоль центральной оси (соответственно выработки №5, №14, №23, №32, №41, №50, №59, №68, №77). На рисунке 3.23 представлено изменение максимальных сжимающих напряжений в боках выработок подкарьерного массива вдоль центральной оси карьера в зависимости от расстояния от выработки до дна карьера.

Рисунок 3.23 – Изменение максимальных сжимающих напряжений в боках выработок подкарьерного массива вдоль центральной оси карьера в зависимости от горизонта разработки:

- без учета карьерной выемки; - с учетом карьерной выемки.

По представленной зависимости можно отметить, что карьер приводит к незначительному росту максимальных сжимающих напряжений в боках выработок подкарьерного массива. По эпюрам 3.21 и 3.22 установлено, что наибольшее влияние карьер оказывает на напряжения, возникающие в кровле и почве выработок. На рисунках 3.24, 3.25 представлено изменения максимальных сжимающих напряжений в кровле и почве выработок подкарьерного массива в зависимости от глубины разработки.

Рисунок 3.24 – Изменение максимальных сжимающих напряжений в кровле выработок подкарьерного массива вдоль центральной оси карьера в зависимости от горизонта разработки:

- без учета карьерной выемки; - с учетом карьерной выемки.

Рисунок 3.25 – Изменение максимальных сжимающих напряжений в почве выработок подкарьерного массива вдоль центральной оси карьера в зависимости от горизонта разработки:

- без учета карьерной выемки; - с учетом карьерной выемки.

По полученным данным значений максимальных сжимающих напряжений в кровле и почве выработок подкарьерного массива следует отметить следующее. Заметен значительный рост сжимающих напряжений в кровле и почве выработки подкарьерного массива, расположенного в 50 метрах от дна карьера, по сравнению с вариантом отсутствия карьерной выемки. Для случая отсутствия разработки карьера характерен линейный рост действующих напряжений. При случае с карьерной выемкой изменение сжимающих напряжений в кровле и почве выработок подкарьерного массива можно разбить на 2 характерных участка.

На первом участке, для глубин разработки от 50 до 100 метров, заметно уменьшение значений напряжений. На втором участке, при удалении от дна карьера от 100 метров и более характерен рост сжимающих напряжений.

Для определения зоны влияния карьера на напряженно-деформированное состояние вокруг выработок подкарьерного массива, соотнесем изменения значений сжимающих напряжений на контуре выработок к значениям, в случае отсутствия карьерной выемки. Данное значение в дальнейшем будем называть коэффициентом концентрации напряжений. На рисунке 3.26 представлено изменение коэффициента концентрации напряжений на контуре выработок подкарьерного массива в зависимости от расстояния от выработки до дна карьера.

Рисунок 3.26 – Изменение коэффициентов концентрации сжимающих напряжений, связанных с влиянием карьерной выемки, на контуре выработок подкарьерного массива вдоль центральной оси в зависимости от расстояния от выработки до дна карьера:

- В кровле выработки; - В почве выработки; - В боках выработки.

По полученным значениям изменения коэффициентов концентрации сжимающих напряжений на контуре выработок следуют заключить следующее.

Наибольшее влияние карьер оказывает на значения напряжений, возникающие в кровле выработки, а наименьшее на значения в почве. Зона существенного влияния карьера, когда значения коэффициента концентрации напряжений превышает 1,05, составляет 350 метров.

Далее следует оценить влияние карьера на изменения напряжений на контуре выработок прикарьерного массива в горизонтальном удалении от центральной оси для горизонтов 50 м, 100 м, 150 м, 200 м, 250 м в которых значение коэффициента концентрации для выработок, находящихся непосредственно под дном карьера, превышает 1,05. На рисунках 3.27-3.29 представлены изменения максимальных сжимающих напряжений на контуре выработок в зависимости от их положения от дна карьера в горизонтальной плоскости.

Рисунок 3.27– Изменение максимальных сжимающих напряжений в боках выработки выработок подкарьерного и прикарьерного массивов поперек центральной оси для горизонтов разработки:

- Горизонт 50 м; - Горизонт 100 м; - Горизонт 150 м; - Горизонт 200 м; - Горизонт 250 м.

Рисунок 3.28 – Изменение максимальных сжимающих напряжений в кровле выработки выработок подкарьерного и прикарьерного массивов поперек центральной оси для горизонтов разработки:

- Горизонт 50 м; - Горизонт 100 м; - Горизонт 150 м; - Горизонт 200 м; - Горизонт 250 м.

Рисунок 3.29– Изменение максимальных сжимающих напряжений в почве выработки выработок подкарьерного и прикарьерного массивов поперек центральной оси для горизонтов разработки:

- Горизонт 50 м; - Горизонт 100 м; - Горизонт 150 м; - Горизонт 200 м; - Горизонт 250 м.

По представленным значениям максимальных сжимающих напряжений можно заключить, что карьер оказывает влияние не только непосредственно под дном, но и на некотором отдалении в горизонтальном направлении в прикарьерной области. Также следует учитывать влияние борта карьера на напряженнодеформированное состояние прикарьерного массива, в связи с появлением гравитационной составляющей напряжений. Также заметна асимметричность относительно центральной оси карьера, связанная с неровным контуром земной поверхности, заданной в модели.

На рисунках 3.30-3.32 представлены значения коэффициентов концентрации сжимающих напряжений на контуре выработок в зависимости от их положения от дна карьера в горизонтальной плоскости.

Рисунок 3.30– Изменение коэффициентов концентрации сжимающих напряжений, связанных с влиянием карьерной выемки, в боках выработок подкарьерного и прикарьерного массивов поперек центральной оси для горизонтов разработки:

- Горизонт 50 м; - Горизонт 100 м; - Горизонт 150 м; - Горизонт 200 м; - Горизонт 250 м.

Рисунок 3.31– Изменение коэффициентов концентрации сжимающих напряжений, связанных с влиянием карьерной выемки, в кровле выработок подкарьерного и прикарьерного массивов поперек центральной оси для горизонтов разработки:

- Горизонт 50 м; - Горизонт 100 м; - Горизонт 150 м; - Горизонт 200 м; - Горизонт 250 м Рисунок 3.32– Изменение коэффициентов концентрации сжимающих напряжений, связанных с влиянием карьерной выемки, в почве выработок подкарьерного и прикарьерного массивов поперек центральной оси для горизонтов разработки:

- Горизонт 50 м; - Горизонт 100 м; - Горизонт 150 м; - Горизонт 200 м; - Горизонт 250 м Из полученных значений коэффициентов концентрации напряжений следует отметить следующие особенности. Наибольший рост сжимающих напряжений на контурах выработок подкарьерного массива возникает непосредственно под дном карьера и на удалении от центральной оси карьера равном 50 метров, в связи с этим этот участок является непосредственно подкарьерным массивом.

Для выработок, расположенных в отклонении от центральной оси более 50 метров, происходит спад значений концентраций напряжений, следовательно, этот участок можно охарактеризовать как прибортовой, так как на него оказывается взаимное влияние дно и борт карьера. Также следует отметить незначительное уменьшение значений напряжений, возникающие в боках выработок в прикарьерном массиве, связанное с зоной разгрузки от напряжений под бортом карьера.

Для построения зоны влияния карьера на напряженно-деформированное состояние прикарьерного массива, вмещающего горные выработки, на рисунке 3.33 приведены изменение значений коэффициентов концентрации сжимающих напряжений на контуре выработки в прикарьерном массиве (при отклонении от центральной оси более 50 метров) в зависимости от расстояния от выработки до дна карьера.

Рисунок 3.33 – Изменение коэффициентов концентрации сжимающих напряжений, связанных с влиянием карьерной выемки, на контуре выработок прикарьерного массива вдоль - В кровле выработки; - В почве выработки; - В боках выработки Исходя из полученной зависимости следует заключить, что зона влияния карьера на напряженно-деформированное состояние прикарьерного массива вокруг выработок составляет 320 метров от дна карьера. Схема зоны значительного влияния на напряженно-деформированное состояние вокруг выработок подкарьерного и прикарьерного массивов представлена на рисунке 3.34.

Рисунок 3.34 - Изолинии концентраций тангенциальных сжимающих напряжений в кровле выработок подкарьерного массива:1 – карьер; 2 – выработка; 3 –зона существенного влияния карьера.

Вокруг выработок, проводимых в подкарьерном массиве, формируется поле напряжений, характеризующееся значительным приростом горизонтальных сжимающих напряжений в кровле выработок. В сочетании с высокими значениями действующих тектонических напряжений это создает неблагоприятные условия для работы крепей в подкарьерном массиве.