Геомеханическое обоснование устойчивости подготовительных выработок при подземной разработке прибортовых запасов карьеров

Актуальность темы

диссертации. В мире насчитывается более двух тысяч месторождений, разрабатываемых комбинированным способом. Только за последние 10 лет их количество увеличилось практически в 1,5 раза, что связано с достижением карьерами запредельных глубин и возможностью отработки запасов глубоких горизонтов только подземным способом. Это подчеркивает необходимость изыскания новых технических и технологических решений для полной отработки прибортовых и подкарьерных запасов рудных месторождений. По анализу области использования комбинированной геотехнологии в мире, можно отметить, что наибольшее распространение она получила при разработке рудных месторождений. Комбинированные способы используются при разработке рудных месторождений с различными инженерно-геологическими и горногеологическими условиями. Это обстоятельство указывает на целесообразность рассмотрения комбинированной разработки пологопадающих месторождений высоконапряженных руд на примере апатит-нефелиновых месторождений Кольского полуострова.

ОАО «Апатит» активно ведет отработку запасов апатит-нефелиновых руд комбинированным открыто-подземным способом. Актуальность решения проблем разработки объясняется необходимостью перехода рудников на подземную разработку запасов, ввиду технологической невозможности дальнейшей разработки месторождений открытым способом и целесообразностью дальнейшего извлечения апатит-нефелиновых руд.

Сложный характер влияния борта на проходческие и очистные работы в прибортовой части карьера, наличие других значимых факторов (тектоника, наличие зон окисленных пород, в том числе неоднородность борта карьера), требуют комплексного подхода к решению задачи обеспечения устойчивости подземных подготовительных выработок.

Наибольший вклад в исследование геомеханических процессов при комбинированной разработке рудных месторождений внесли такие ученые, как.

Д.Р. Каплунов, A.A. Козырев, В. Н. Калмыков, Э. В. Каспарян, B.C. Свинин, В. В. Рыбин, М. В. Рыльникова, Д. М. Казикаев, и др. Обеспечению устойчивости выработок, проводимых в прочных высоконапряженных массивах, посвящены работы А. Г. Протосени, B.JI. Трушко, Ю. Н. Огородникова, И. Ю. Рассказова, О. В. Тимофеева, М. В. Корнилкова, В. В. Зубкова, О. В. Ковалева, A.A. Еременко, Н. С. Булычева, H.H. Фотиевой, Г. Г. Мирзаева и других ученых.

Основная направленность существующих исследований заключалась в определении особенностей напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов систем разработки — междукамерных целиков, охранных целиков и потолочин под дном карьера. При этом большая часть исследований выполнялась, как правило, методами, реализующими плоско-деформационную постановку задачи. Также изучались изменения физико-механических свойств пород в прибортовом массиве. При этом с позиций обеспечения устойчивости подготовительных выработок проблема геомеханически безопасного использования комбинированной геотехнологии практически не рассматривалась.

Цель диссертационной работы: обеспечение устойчивости подготовительных выработок при отработке прибортовых запасов карьеров Восточного рудника ОАО «Апатит».

Идея работы: выбор рациональных типов и параметров крепей подготовительных выработок при комбинированном открыто-подземном способе разработки производится на основе прогноза их устойчивости, базирующегося на результатах численного моделирования, с учетом особенностей перераспределения компонентов гравитационно-тектонического поля напряжений в прибортовом массиве.

Основные задачи диссертационной работы:

— проведение натурных наблюдений за проявлениями горного давления и устойчивостью подготовительных выработок на рудниках ОАО «Апатит»;

— проведение численных экспериментов по исследованию параметров полей напряжений в прибортовом массиве при комбинированной разработке месторождения открыто-подземным способом;

— анализ напряженно-деформированного состояния массива вокруг подготовительных выработок, расположенных в зоне совокупного влияния карьера и подземных очистных работ;

— обоснование выбора рациональных типов и параметров крепей подготовительных выработок, расположенных в прибортовом массиве карьера.

Методы исследований. При выполнении работы использовалась комплексная методика исследований, включающая анализ литературных источников, опыта комбинированной открыто-подземной разработки месторождений полезных ископаемых, материалов геологической разведки месторождений Восточного рудника ОАО «Апатит», натурные наблюдения за устойчивостью выработок апатитовых рудников, численное моделирование геомеханических процессов в прибортовом массиве.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

— установлены закономерности перераспределения напряжений в приконтурной области карьера, расположенного в высоконапряженном массиве, которые используются для установления граничных и начальных условий численного моделирования локальных участков подземного рудникавыявлены закономерности изменения параметров напряженно-деформированного состояния массива вокруг подготовительных выработок и напряжений в элементах крепи в зависимости от их положения относительно борта карьера, которые используются при обосновании рациональных типов и параметров крепей выработок.

Положения, выносимые на защиту:

1. Трехмерная численная модель прогноза напряженно-деформированного состояния прибортового массива, вмещающего подготовительные выработки, должна учитывать его структурную неоднородность, параметры системы подземной разработки, а кроме того, особенности перераспределения компонентов гравитационно-тектонического поля напряжений в прибортовом массиве.

2. Напряжения в массиве вокруг выработок, проводимых в зоне влияния борта карьера при открыто-подземной разработке месторождения, главным образом зависят от расстояния между выработкой и бортом карьера и сформировавшегося после постановки бортов в конечное положение поля напряжений, параметры которого определяются с учетом размеров карьера и гравитационно-тектонического поля напряжений нетронутого массива.

3. Обоснование типов и расчет параметров крепей подготовительных выработок при отработке прибортовых запасов системами разработки с подэтажным обрушением должны осуществляться по методике, учитывающей особенности формирования зон концентраций и разгрузки от напряжений, в зависимости от положения выработок относительно борта карьера.

Практическая значимость работы. Разработана методика расчета параметров напряжено-деформированного состояния массива вокруг подготовительных выработок, находящихся в зоне влияния карьера.

Обоснованы рациональные типы и параметры крепей подготовительных выработок с учетом совокупного влияния карьера, подземных очистных работ и тектонического поля напряжений.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, подтверждается значительным объемом натурных наблюдений за состоянием крепи и породных обнажений в зоне влияния карьера, исследованием прочности образцов вмещающих пород, моделированием напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок методом конечных элементов, а также согласованностью результатов расчета с данными натурных исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований освещались на научно-практических конференциях: Международном форуме-конкурсе «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2012 г), ежегодных конференциях студентов и молодых учёных «Полезные ископаемые России и их освоение» (г. Санкт-Петербург, 2010;2012 гг.), Международной научнопрактической конференции «Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и их решения» (г. Воркута, 2010, 2012 гг.).

Реализация результатов работы. Решение отдельных вопросов по теме диссертации выполнялись в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы. Диссертант являлся руководителем проекта 14.132.21.1818 «Создание теоретических основ геомеханически безопасной разработки рудных месторождений комбинированным открыто-подземным способом».

Результаты проведенных исследований вошли составной частью в раздел по обеспечению устойчивости подземных выработок «Технологического регламента отработки запасов Коашвинского месторождения апатит-нефелиновых руд», разработанного в Научном центре геомеханики и проблем горного производства Горного университета в 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России — 4 статьи.

Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследованийв выполнении лабораторных испытаний образцов горных пород и обработке их результатовпроведении натурных исследований за устойчивостью горных выработок на рудниках ОАО «Апатит" — в разработке конечно-элементных моделейвыполнении численных экспериментов и анализе полученных результатовв разработке практических рекомендаций по обеспечению устойчивости подготовительных выработок в прибортовом массиве карьера.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 174 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 96 наименований, включает 111 рисунков, 38 таблиц.

Основные результаты выполненных исследований:

1. Разработана трехмерная конечно-элементная модель прогноза напряженно-деформированного состояния прибортового массива карьера, вмещающего очистной блок. Модель отличается учетом сложного характера перераспределения компонент гравитационно-тектонического поля напряжений в прибортовом массиве после постановки бортов в конечное положение. При этом параметры этого поля определены предварительным моделированием всего карьера с учетом его размеров и наличия разновеликих компонент тек-тонического поля напряжений.

2. Исследования напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок на трехмерных моделях позволили выявить особенности напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок в зоне влияния карьера, заключающиеся в повышенной концентрации сжимающих напряжений в кровле выработок, проводимых перпендикулярно борту карьера и максимальной компоненте тектонических напряжений, а также асимметричность распределения тангенциальных напряжений по контуру выработок, проводимых параллельно борту карьера и максимальной компоненте тектонических напряжений.

3. Разработаны плоские конечно-элементные модели для определения параметров напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработок, а также крепей с учетом влияния перераспределения гравитационно-тектонического поля напряжений в массиве, влияния расстояния от выработок до борта карьера, очистных работ, применительно к системе разработки с подэтаж-ным обрушением и торцевым выпуском руды.

4. Установлена зона влияния карьера на напряженное состояние массива вокруг выработок по степени асимметричного распределения тангенциальных напряжений по контуру выработки, которая составляет 200 м по нормали к борту.

5. Установлены размеры зон концентрации напряжений и разгрузки при ведении очистных работ в блоке, а также установлен характер изменения напряженного состояния массива вокруг выработок в пределах блока.

6. Выполнено моделирование работы анкерных и комбинированных крепей из анкеров и набрызгбетона в выработках, находящихся в зоне взаимного влияния карьера и очистных работ. Установлено, что в боках выработок, проводимых параллельно борту карьера и максимальной компоненте тангенциальных напряжений, крепь со стороны массива работает в более тяжелых условиях, а со стороны карьера нагружена незначительно.

7. Обоснованы типы и параметры крепей подготовительных выработок при отработке прибортовых запасов системами разработки с подэтажным обрушением. Результаты проведенных исследований вошли составной частью в раздел по обеспечению устойчивости подземных выработок «Технологического регламента отработки запасов Коашвинского месторождения апатит-нефелиновых руд».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация представляет собой законченную научно — квалификационную работу, в которой предлагается новое решение актуальной для ОАО «Апатит» задачи геомеханического обоснования устойчивости подготовительных выработок при подземной разработке прибортовых запасов Коашвинского карьера.