Использование остаточной прочности пород в несущих конструкциях при подземной добыче руд

Полный текст

Введение Безопасность горных работ и качество добываемого минерального сырья зависят от рационального использования свойств разрабатываемого рудовмещающего массива при использовании расчетов на основе геодинамической ситуации [1-3]. Устойчивость выработок горного комплекса обеспечивается регулированием состояния структурных минеральных отдельностей в зонах влияния выработанного пространства на рудовмещающий массив. Большинство рудных месторождений локализуются в анизотропных скальных массивах сложной структуры, поэтому управление ими с использованием геомеханических факторов особенностей проявления горного давления и методов строительной механики формирует важную научную и практическую задачу. История разработки месторождения подземным способом представляет собой управляемое создание несущих и разделяющих конструкций на основе использования остаточной несущей способности разрушенных пород. Целью настоящего исследования является систематизация сведений о теории и практике использования остаточной несущей способности разрушенных пород в процессе подземной разработки рудных месторождений в условиях ураново-добывающих предприятий Северного Казахстана на месторождениях Восток, Маныбай, Ишимское, Заозерное. 1. Методы исследования При исследовании технологий управления скальными массивами используют системный подход, включающий в себя комплекс исследований: аналитические (по литературным данным), натурные (маркшейдерские съемки, измерение напряжений и деформаций), лабораторные (моделирование на материалах) и теоретические (метод конечных элементов, термодинамический, энергетический и др.). Учитывая уникальность каждого месторождения, приоритетом пользуются методы с экспериментальным подтверждением расчетных параметров. Применяемые технологии типизируются по признаку использования остаточной несущей способности разрушенных пород. Диапазон исследований данного направления включает в себя расчеты строительных конструкций, динамику конструкций и сооружений, аналитические и численные методы расчета конструкций, расчеты на устойчивость. 2. Результаты В общем случае с увеличением глубины разработки рудных месторождений напряжения в массивах рудовмещающих пород возрастают. Недооценка горного давления приводит к разрушению массивов вплоть до выхода на дневную поверхность с катастрофическими последствиями. Местом зарождения и развития негативных явлений являются очистные выработки, характеризующиеся большими размерами и объемами пустот. Инструментарий управления массивом включает в себя обрушение вмещающих пород, оставление пустот без заполнения и заполнение материалом чаще всего твердеющей закладочной смесью. Методы управления горным давлением сводятся к использованию прочности несущих перекрытий из нетронутых и разрушенных руд и пород. Обрушение вмещающих пород получает приоритетное развитие вследствие высокой степени механизации и меньших затрат. Его недостатки особенно заметны при глубине работ от 500 м: трудность управления процессом обрушения, повышенные потери, разубоживание и потенциально возможное разрушение массива вплоть до дневной поверхности. Оставление очистных выработок без заполнения материалом применяют при отработке рудных тел, не оказывающих влияния на земную поверхность. Лучшие показатели эксплуатации недр обеспечивает заполнение пустот твердеющей закладочной смесью. Для снижения стоимости смесей и расширения диапазона их применения закладку приготавливают с заменой товарных компонентов альтернативными доступными материалами. Ограниченное применение имеют перекрытия из неминеральных материалов - дерева, металла и т.п. Решению горнотехнических задач посвящены труды М.И. Агошкова, Д.М. Бронникова, В.Р. Именитова, В.А. Шестакова и других исследователей. Особенности поведения массивов при техногенном вмешательстве исследованы в работах В.Д. Слесарева, С.В. Ветрова, К.В. Руппенейта, С.Г. Авершина и др. В настоящее время большинство методов решения горно-геологических задач основывается на том, что в дискретном массиве пород формируется гравитационно-тектонически-структурное поле напряжений (см., например, работы А.А. Борисова, Г.Н. Кузнецова, С.В. Ветрова). Дискретность массива предполагает механическое взаимодействие структурных элементарных блоков, чем объясняется феномен остаточной несущей способности нарушенных пород [4-5]. Этот феномен ежедневно подтверждается горной практикой в виде образования в выпускных устройствах рудных кусков. Склонность к самозаклиниванию отдельностей увеличивается при увеличении их размеров. Заклинивание соседних элементарных отдельностей происходит за счет прижатия их по боковым граням. Смещаясь вниз, соседствующие отдельности прижимаются друг к другу с раскрытием в нижней части вертикального контакта и сжатием в верхней части. В контактной зоне прижатия возникают напряжения. Если они не превышают предела прочности пород при сжатии, то возникает возможность проявления остаточной несущей способности нарушенных пород, и образовавшаяся породная конструкция обеспечивает безопасный режим работы. В противном случае временная породная конструкция разрушается до тех пор, пока не возникают новые условия для заклинивания, поэтому при разработке таких месторождений устойчивость рудовмещающих массивов и земной поверхности над ними обеспечивается путем компенсационного заполнения технологических пустот материалами. Поскольку дискретные материалы допускают усадку, а при подработке смещаются в сторону подработки, закладка ими не гарантирует успех. Надежное сохранение безопасных условий разработки обеспечивается при заполнении пустот твердеющими закладочными смесями. Обоснованию параметров такой технологии посвящены труды Д.М. Бронникова, М.И. Цыгалова, Л.А. Крупника, А.П. Требукова и др. Стремление обеспечить надежное управление горным давлением, кроме проблемы повысить безопасность труда, объясняется желанием уменьшить объем примешивания к руде пустых пород. Поэтому целью управления состоянием массива является уменьшение высоты свода естественного равновесия. М.М. Протодьяконов доказал, что в соответствующих условиях в выработку обрушиться могут только породы, заключенные в пределах свода, то есть оптимальным является сохранение плоской формы кровли. Последующие исследования уточняли возможности достижения плоской кровли при самозаклинивании структурных блоков. Предлагаемые теории различались представлениями о сущности кровли. В.Д. Слесарев представлял породную конструкцию как балку, А.А. Борисов - как слой пород, а С.В. Ветров - как нижний ряд заклинившихся отдельностей. От позиционирования объекта исследования зависит выбор метода определения геомеханических параметров (табл. 1). Общим для всех методов является определение безопасности выработки как равенства между механической прочностью нижнего ряда элементов перекрытия и нагрузкой породами в ее пределах. Сохранение рудовмещающих массивов обеспечивается регулированием уровня технологических напряжений на участках месторождения, увязкой процессов выемки руды во времени и пространстве и степени ее подготовленности к добыче, учетом геодинамических условий. В скальных породах на контуре горных выработок ослабленность пород уменьшается. В зоне нарушенных пород коэффициент ослабления снижается 0,25 до 0,04. Мощность зоны ослабления вокруг выработок составляет от 0,5 до 10 м. Внутри зон выделяется приконтурная зона, в пределах которой прочность уменьшается в 1,5-6,0 раз. Вокруг пустот формируется зона неупругих деформаций, в которых протекают пластические деформации и разрушение пород. Эти характеристики определяют поведение массивов при разработке месторождений. Анализ научно-практического опыта погашения пустот при разработке рудных месторождений позволяет резюмировать, что [6-8]: · условием эффективности управления горными массивами является геомеханическая сбалансированность напряженно-деформированных дискретных сред; · перспективные способы управления массивами связаны с использованием остаточной несущей способности структурных отдельностей. Устойчивость выработок обеспечивается, если в породах кровли возникает трехшарнирная арка (рис. 1). Арка устойчива, если кровля не нарушена поперечными разломами и трещинами. Устойчивость выработок зависит от соотношения горизонтальных и вертикальных размеров структурных блоков. Потеря несущей способности несущего слоя пород наступает при скалывании боковых граней структурных блоков. Методы расчета геомеханических параметров [Table 1. Methods for calculating geomechanical parameters] Таблица 1 Характеристика массива [Array characteristic] Методы [Methods] Геомеханические (классическая механика) [Geomechanical (classical mechanics)] Инженерные (строительная механика, сопротивление материалов и т.п.) [Engineering (building mechanics, resistance of materials, etc.)] Несущий элемент [Carrier element] Научные гипотезы [Scientific hypotheses] Квазисплошной с гравитационным полем напряжений [Quasi-continuous with a gravitational stress field] Механика сплошной среды, вероятностно-статистические методы [Continuum mechanics, probabilistic statistical methods] Несущая способность материала кровли [The bearing capacity of the roofing material] Своды давления (В.Д. Слесарев), своды обрушения (М.М. Протодьяконов, И.М. Цимбаревич, Н.М. Покровский и др.) [Pressure vaults (V.D. Slesarev), mordias vaults (M.M. Protodyakonov, I.M. Tsimbarevich, N.M. Pokrovsky et al.)] Плита или балка в кровле [Slab or beam in the roof] Квазисплошной с гравитационно-тектоническо-структурным полем [Quasi-continuous with a gravitational-tectonicstructural field] Несущая способность тектонически нарушенных пород [The bearing capacity of tectonically disturbed rocks] Плита или балка с трещиной [Slab or beam with crack] Дискретный с гравитационно-тектонически-структурным полем [Discrete with a gravitationaltectonic-structural field] Механика дискретной среды, вероятностно-статистические методы [Discrete medium mechanics, probabilistic-statistical methods] Плита или балка [Slab or beam] Зоны обрушений (А.А. Борисов), свободные консоли (Г.Н. Кузнецов) [Collapse zones (A.A. Borisov), free consoles (G.N. Kuznetsov)] Трехшарнирная арка с блочной структурой [Three-hinged arch with block structure] Свод равновесия (С.В. Ветров) [Balance of equilibrium (S.V. Vetrov)] Рис.1. Схема образования жесткой шарнирной арки: d1 и d2 - горизонтальный и вертикальный размеры структурных блоков [Figure 1. Scheme of formation of a rigid articulated arch: d1 and d2 - horizontal and vertical dimensions of structural blocks] Устойчивость конструкций заклинившихся пород в кровле выработок определяется величиной их эквивалентных пролетов. Критерием устойчивости плоской кровли является условие: Lф ≤ Lп , где Lф - фактической эквивалентный пролет кровли выработки, м; - предельно допустимый эквивалентный пролет обнажения плоской кровли, м. Если по условию устойчивости кровли отработка рудного тела сплошным забоем затруднительна, оно делится на отдельные участки, размеры каждого из которых удовлетворяют условию. Критерием безопасности погашения выработанного пространства является область его опасного влияния - часть массива пород, где над выработками возможно развитие опасных напряжений и деформаций. Если в зону опасного влияния попадают поверхностные сооружения, эксплуатируемые горные выработки и подлежащие отработке рудные тела, выработанное пространство погашается закладкой. При увеличении ширины горной выработки с плоской кровлей до предельного значения породы кровли обрушаются. Над выработкой образуется параболический свод - свод естественного равновесия, дальше которого обрушение не развивается. Пролет бесконечной длины выработки, высота свода естественного равновесия и инженерно-геологические характеристики массива взаимосвязаны: 2 2 4 2 где Rсж - прочность горных пород на сжатие, Па; kо - коэффициент структурного ослабления пород; d 2 - вертикальный размер структурного блока, м; γ - плотность горных пород, кг/м3; g - ускорение æ 2 R сж k o d 1h с в ö = h 2 æ l ö æ l ö + , свободного падения; hсв - высота свода естественного равновесия, м; Lо - предельно допустимый èç γ g (2 H · h св )÷ø св çè 2 ÷ø çè 2 ÷ø пролет плоской кровли. Оценка технологий с точки зрения учета геогде d1 - горизонтальный размер структурного блока, м; Rсж - прочность горных пород на сжатие, Па; kо - коэффициент структурного ослабления пород; hсв - высота свода естественного равновесия, м; γ - плотность горных пород, кг/м3; g - ускорение свободного падения; H - глубина залегания выработки, м; l - пролет выработки бесконечной длины, м. Связь между максимально допустимым пролетом плоской кровли бесконечной длины выработки, высотой соответствующего этой выработке свода естественного равновесия и инженерно-геологическими характеристиками пород описывается выражением 2 2 4 механической ситуации позволяет как сократить расходы на содержание выработок, так и минимизировать риск эксплуатации ответственных объектов, к которым относятся транспортные тоннели. Одним из направлений повышения качества добываемого минерального сырья и снижения опасности подземных горных работ является использование искусственных потолочин, создаваемых в процессах инъецирования пород, строительства сплошной несущей и «облегченной» потолочины, а также упрочнения замагазинированной руды цементным раствором [9-12] (рис. 2). Сплошная несущая потолочина сооружается в ходе выемки руд системой горизонтальных слоев с закладкой твердеющими смесями. Нагрузка æ 3 2 ö æ o ö æ o ö пород на нее составляет около 80 % - на участке R сж k o d 2 = 2 L + L , çè 2 k γ h g ÷ø d 2 3 с в çè 2 ÷ø çè 2 ÷ø активного сдвижения, 60 % - на участке пассивного сдвижения, а высота зон сдвижения не превышает 30 м. 1 4 2 3 Рис. 2. Искусственная потолочина: 1 - твердеющие смеси; 2 - инъецированные породы; 3 - сплошная железобетонная потолочина; 4 - облегченная потолочина с железобетонными штангами [Figure 2. Artificial ceiling: 1 - hardening mixtures; 2 - injected rocks; 3 - solid reinforced concrete ceiling; 4 - lightweight ceiling with reinforced concrete rods] Искусственная потолочина представляет собой плиту, жестко защемленную во вмещающих породах и предельно нагруженную возле опор и в середине пролета. Породно-бетонная потолочина создается путем инъецирования пород цементным раствором по скважинам (рис. 3). Потолочина с арматурой усиливает несущие функции за счет арматуры (рис. 4). 1 4 2 3 Рис. 3. Конструкция искусственной потолочины без армирования: 1 - вертикально расположенные анкеры; 2 - горизонтально расположенные анкеры; 3 - породная подушка; 4 - заложенная очистная выработка [Figure 3. Construction of an artificial ceiling without reinforcement: 1 - vertically arranged anchors; 2 - horizontal anchors; 3 - pedal pillow; 4 - pledged clearing generation] 5 7 3 4 2 1 Рис. 4. Искусственная потолочина с несущей арматурой: 1 - породная подушка; 2 - лежень; 3 - сетка; 4 - горизонтальные анкеры; 5 - вертикальные анкеры; 7 - железобетонные анкеры [Figure 4. Artificial ceiling with supporting fittings: 1 - rock pillow; 2 - bed; 3 - grid; 4 - horizontal anchors; 5 - vertical anchors; 7 - reinforced anchors] При варианте подачи твердеющих смесей на отбитую руду конструкция создается секциями длиной до 12 м. Сначала подается порция закладки с повышенным содержанием цемента (300 кг/км3) и минимальным количеством воды для образования на поверхности замагазинированной руды цементной корки, препятствующей проникновению цементного раствора в руду. Затем в потолочину укладывается основной объем твердеющей смеси. Работы под искусственной потолочиной начинают после набора бетоном прочности 6,0 МПа. Безопасность труда и качество добываемых руд улучшают путем разделения рудных и породных потоков. Первая попытка подэтажного обрушения с применением перекрытия из крепежного леса не нашла широкого применения (рис. 5). На рудниках второй половины прошлого века использовали перекрытия с различными несущими элементами из изношенных автомобильных покрышек (Хромтау, Казахстан), деревянных «чураков», тросов и металлических лент (Шантобе, Казахстан) (рис. 6). Рис. 5. Добыча с обрушением под деревянным перекрытием [Figure 5. Mining with caving under hardwood floor] Рис. 6. Конструкции перекрытий: а - канатно-металлическая; б - дерево-канатная; в - вантовая [Figure 6. The structure of the floor: a - cable-metal; б - tree-rope; в - cable stayed] Типизация конструкций с использованием остаточной прочности [Table 2. Typification of structures with the use of residual strength] Таблица 2 Вид конструкции [Type of construction] Механизм работы [Work mechanism] Условия применения [Terms of use] Породная сферическая [Breed spherical] Заклинивание пород по контуру свода после обрушения [Jamming of rocks along the contour of the arch after the collapse] Породы средней прочности, руды средней ценности [Medium strength rocks, ore of average value] Породная плоская [Breed flat] Заклинивание пород в нижнем слое без обрушения [Jamming of rocks in the lower layer without collapse] Прочные породы, ценные руды [Durable rocks, valuable ores] Породно-бетонная [Breed-concrete] Упрочнение пород бетонными элементами [Hardening rocks with concrete elements] Породы любой прочности, ценные руды [Breeds of any strength, valuable ores] Бетонная [Concrete] Удержание полной массы столба налегающих пород [The retention of the full mass of the column overlapping rocks] Бетонная армированная [Reinforced concrete] Деревянная [Wooden] Временное поддержание пород [Temporary rock maintenance] Прочные и среднепрочные породы, локальные участки [Strong and medium-hard rocks, local areas] Канатно-металлическая [Cable-metal] Удержание полной массы столба налегающих пород [The retention of the full mass of the column overlapping rocks] Породы любой прочности, достаточная несущая способность канатов [Breeds of any strength, sufficient bearing capacity of the ropes] Дерево-канатная [Tree-rope] Вантовая [Guyed] Цементированно-породная [Cemented rock] Создание экрана для разделения руд и пород [Creating a screen to separate ores and rocks] Породы любой прочности, оперативное регулирование напряжений [Breeds of any strength, prompt stress control] Опыт применения комбинированных перекрытий на основе технологически разрушенных пород накоплен на рудниках добывающей подотрасли атомной энергетики при разработке месторождений Восток, Маныбайское, Заозерное, Молодежное, Звездное, Ишимское, Центральное, Шокпак, Камышовое и других Целинного горно-химического комбината. Повышение качества добываемых руд может быть оценено величиной снижения разубоживания руд породами в пределах 15-20 %. Так, на месторождениях Ишимское, Центральное, Заозерное использование феномена самозаклинивания структурных породных блоков позволило отработать запасы объемами более 1 млн м3 без обрушения земной поверхности. На месторождении Восток в промышленных масштабах использовали несущие и разделяющие конструкции дерево-канатных и канатно-металлических перекрытий. На месторождении Заозерное для отработки крутопадающих маломощных рудных тел широко применялись вантовые перекрытия. При отработке мощных рудных тел с закладкой пустот твердеющими смесями практиковались конструкции из разнопрочных составов твердеющих смесей, в том числе на основе утилизируемых отходов собственного и смежных производств. От полноты оценки и учета феномена сохранения остаточной несущей способности разрушенных пород зависят как безопасность работающих, так и состояние техносферы в районе горных работ [13-14]. Выводы Эффективность подземной разработки рудных месторождений определяется возможностью сохранения плоской формы кровли очистных выработок путем обеспечения геомеханической сбалансированности участков рудовмещающих породных массивов. При разрушении массива горными работами породы сохраняют остаточную несущую способность, что может быть использовано для решения геомеханических задач. Реализация этого феномена при создании породных конструкций с заданными свойствами способствует решению задач охраны труда и повышения качества руд. Задачи горного производства решаются с привлечением методов строительной механики инженерных конструкций и сооружений. Минимизация затрат на управление состоянием массива, повышение качества руд и безопасности работ обеспечиваются непревышением безопасных по уровню напряжений эквивалентных пролетов обнажения пород по предлагаемой методике.

Об авторах

Владимир Иванович Голик

Геофизический институт Владикавказского научного центра РАН; Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: v.i.golik@mail.ru

главный научный сотрудник ГФИ ВНЦ РАН; профессор кафедры горного дела СКГМИ (ГТУ), доктор технических наук, профессор

Российская Федерация, 362002, Владикавказ, ул. Маркова, 93а; Российская Федерация, 362021, Владикавказ, ул. Николаева, 44

Юрий Витальевич Дмитрак

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)

Email: v.i.golik@mail.ru

ректор СКГМИ (ГТУ), доктор технических наук, профессор

Российская Федерация, 362021, Владикавказ, ул. Николаева, 44

Олег Знаурович Габараев

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)

Email: v.i.golik@mail.ru

заведующий кафедрой горного дела СКГМИ (ГТУ), доктор технических наук, профессор

Российская Федерация, 362021, Владикавказ, ул. Николаева, 44

Юрий Иванович Разоренов

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова

Email: v.i.golik@mail.ru

исполняющий обязанности ректора ЮРГПУ (НПИ), доктор технических наук, профессор

Российская Федерация, 346428, Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

Список литературы