Развитие научных основ крепления горных выработок при разработке рудных залежей блочного строения на больших глубинах

Актуальность проблемы.

Крепление и поддержание горных выработок в устойчивом состоянии в период эксплуатации является одним из наиболее ответственных и ресурсоемких технологических процессов горного производства. Выбор крепи с недостаточной несущей способностью приводит к возрастанию риска внезапных обрушений, вероятности незапланированных простоев. Установка крепи с излишней несущей способностью становится причиной роста непроизводительных затрат.

При разработке месторождений полезных ископаемых Талнахского рудного узла применяемые типы крепей до настоящего времени рассчитывались и конструировались исходя из представлений, что вокруг подземных выработок действует симметричное относительно вертикали поле напряжений. Крепление горных выработок в соответствии с нормативными документами, разработанными на основе описанного подхода, в основном обеспечивало необходимую устойчивость их контура.

Однако имели место случаи разрушения рекомендованных крепей, например, в зонах тектонических нарушений на контактах геологических блоков. На одной и той же глубине в одних случаях деформации проявлялись в виде вывалов и разрушений кровли, в других — в разрушении и осыпании стенок выработки, пучении почвы. Это, а также отмечаемая зачастую асси-метричная форма вывалов в закрепленных выработках, уже ставило под сомнение правильность распространения существующих теоретических подходов на все возможные условия расположения горных выработок.

Анализ случаев разрушений различных типов крепей в широком диапазоне геотехнических условий показал, что несоответствие существующих представлений и принятых на их основе расчетных схем нагружения крепи фактическому состоянию пород и контура деформирующихся выработок особенно резко проявилось с переходом горных работ на глубокие горизонты. Результаты экспериментальных исследований, выполненных в последние десятилетия, позволяют предположить, что на глубоких горизонтах существенное влияние на устойчивость выработок начинает оказывать явление зональной дезинтеграции горных пород (открытие СССР № 400).

Применяемые конструкции крепи и методики расчетов ее параметров не учитывали особенности зонального деформирования и разрушения породного массива. Действующаяметодика, выбора крепи предусматривала использование двух классификаций, горных пород — по устойчивости (для< выработок, расположенных в нетронутом массиве и зонах опорного давления) и not нарушенности (для< выработок, расположенных в зонах разгрузки): Вкачестве критерия проявлений горного давления принимались только8 смещения^ породного контура за весь срок службы выработки без учета, форм разрушений контура, характерных для тех или иных геомеханических условий эксплуатации. Это усложняло процесс подготовки, проектно-технической документации, а иногда приводило к принятию ошибочных решений по, выбору крепи. — '.

Создавшаяся ситуацияобусловила актуальность! проведениям большого" объема специальных исследований по определению-закономерностей смещеt ний и деформаций пород, характерных для различных, геомеханических условий существования выработок, и на этой основе, разработки способов их крепления и поддержания, методик расчета крепи, которые соответствовали бы реальным горно-техническим и геомеханическим условиям эксплуатации выработок, повысили надежность. обеспечения устойчивости.

Цель, работы — развить, научные основы и разработать способы крепления выработок, пройденных в предельно-напряженном горном массиве блочного строения, учитывающие установленные новые закономерности деформирования пород, обеспечивающие устойчивость породных обнажений.

Идея. работы заключается в использовании предложенной классификации устойчивости горных пород, учитывающей тип геотехнических условий проведения и эксплуатации подземных выработок, устанавливаемый в зависимости от выявленных новых закономерностей деформирования и разрушения блочного породного массива.

Методы* исследований. При выполнении научно-исследовательских и научно-технических работ использовались следующие методы: анализ и обобщение литературных фондовых, патентных материалов и технических разработок по теме диссертационных исследований;

— лабораторные эксперименты методами физического моделирования на моделях из эквивалентных и оптически активных материаловшахтные эксперименты по-изучению проявлений горного давления, деформирования и разрушения породного массива вокруг выработок с применением современных методов натурных исследований;

— теоретическая обработка материалов лабораторных и натурных исследований с использованием методов механики деформируемого твердого тела, нелинейной геомеханики и статистического анализа.

Задачи исследований.

1. Выполнить типизацию геомеханических условий эксплуатации горных выработок в условиях сплошной выемки мощных пологих удароопасных рудных залежей Талнахско-Октябрьского месторождения с твердеющей закладкой выработанного пространства.

2. Изучить особенности деформирования и разрушения массива горных пород применительно к основным типам геомеханических условий: в предельно-напряженном блочном массиве вне и в зоне влияния очистных работ, в-подработанном и надработанном массиве, в окрестности тектонических нарушений, в условиях проявлений зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок.

3. Разработать методики расчета параметров крепи горных выработок для всех выделенных типов геомеханических условий их эксплуатации.

4. Разработать новые, экспериментально обоснованные технические решения и рекомендации по креплению, охране и поддержанию подземных горных выработок применительно к выделенным геомеханическим условиям их эксплуатации, провести работы по опытно-промышленным испытаниям и внедрению предложенных типов крепей.

Достоверность и обоснованность научных положений выводов и рекомендаций подтверждается:

— результатами большого объема комплексных исследований по изучению характера проявлений горного давления и форм деформирования и разрушения контура подземных выработок, выполненных в течение 20 лет на рудниках «Маяк», «Комсомольский», «Октябрьский», «Таймырский» и «Скалистый» Норильского ГМК им. А. П. Завенягина;

— соответствием результатов экспериментов по изучению проявлений горного давления на моделях из эквивалентных и оптически активных материалов натурным данным, полученным в зоне влияния тектонических нарушений и в условиях проявлений зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок;

— положительными результатами внедрения технологических решений и рекомендаций по креплению горных выработок и их сопряжений разработанными для этих условий основными видами крепи — усиленной комбинированной, сталеполимерной анкерной, предварительно напряженной железобетонной, усиленной набрызг-бетонной;

— включением рекомендаций автора в действующие нормативно-методические документы.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. В условиях Талнахско-Октябрьского месторождения на глубинах порядка 200−1500 м разрушения крепи в выработках обусловлены несоответствием между нормативными документами по выбору крепи, базирующимися на представлениях о симметричном относительно вертикали поле напряжений в окрестности горной выработки, и фактически установленной асимметричной ориентировкой максимальных действующих напряжений относительно вертикальной оси поперечного сечения выработки.

2'. Горные выработки, в зависимости от характера деформирования*-обнажений и форм разрушения контура, соизмеримости величины и скорости смещений приконтурных пород следует разделять на: пройденные и поддерживаемые в нетронутом массивепройденные: и последовательно попадающие в зоны опорного давленияв условия надработки или подработкипройденные: в-, сильно1 нарушенных зонах в, окрестности тектонических нарушенийпройденные в областях проявления, зональной? дезинтеграциигорных пород.

3. Параметры крепи горных выработок в условиях проявления зональной дезинтеграции определяются с учетом? переформирования-, блочного массива на расстоянии до 10−12 м от контура выработки в разнопрочную, слоистую геосреду с мощностью слоев от 0,6−0,8 до 1,2−1,7 м, обладающую присущим ей характером развитиядеформаций и форм, разрушения:

4. Тип, параметры и конструкция? крепиустанавливаются на основе прогноза не тольковеличин смещений кровли и действующих в массиве напряжений, но и обязательного учета возможных деформаций контура выработок и форм разрушений массива пород, характерных для-1 тех или иных геомеханических условий проведения и эксплуатации выработок, приведенных в предложенношклассификации:

5. Надежное обеспечение устойчивости выработок достигается" при удовлетворенииконструируемыхкрепей дополнительным требованиям, сформулированным и реализованным в настоящей работе.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлены неоднородность и асимметрия? нагружения контуравыработки в реальном горном: массиве, приводящие к формированию наотдельных его участках, являющихся очагами последующего разрушения, зон концентрации напряжений, в 3−5 раз превышающих по величине прочность окружающего массива и несущую способность крепи.

2. Обоснована: и построена номограмма, позволяющая производить прогноз смещений контура выработки при прочности пород на сжатие от 20 до 80 МПа в диапазоне глубин 200−1500 м для выработок, проводимых в массиве до начала очистных работ, в зоне опорного давления, в надработан-ном и подработанном массиве.

3. Получены зависимости смещений кровли и объемов вывалов пород от взаимного расположения выработки и плоскости нарушения, размещения выработки в лежачем или висячем боку тектонического разлома. Выявлена основная форма вывалов пород из кровли выработок на участках тектонических нарушений с образованием несимметричного свода шатровой формы. Высота свода обрушения может превышать пролет выработки, а основную роль в разрушении контура играют тектонические горизонтальные напряжения, которые на месторождении превышают вертикальные в 1,4 — 1,6<раза.

4. Установлены ширина распространения зон дезинтеграции (до 7−12 м от контура выработки), а также величины конвергенции пород на контуре выработок при проявлении зональной дезинтеграции, на порядок превышающие величину смещений пород в> выработках, в которых это явление не отмечено. При формировании зон дезинтеграции в проводимой выработке интенсивный рост смещений, достигающих 50−300 мм, наблюдается в течение 6−10 часов после проведения взрывных работ. При формировании зон дезинтеграции вокруг ранее пройденных выработок смещения развиваются практически мгновенно, также достигая указанных величин, часто вызывая повреждения крепи и вывалы пород.

5. Разработаны новые методики определения параметров крепи горных выработок на больших глубинах, в которых в качестве критерия проявлений горного давления принимается не только величина смещений их породного контура за весь срок службы, но и формы разрушений контура, характерные для геомеханических условий эксплуатации.

6. Сформулированы и реализованы в новых конструкциях крепи дополнительные требования, обеспечивающие надежное поддержание подземных горных выработок, проводимых и эксплуатируемых в условиях проявле ". 11 ¦ ния зональной дезинтеграции, в зонах тектонической нарушенности и действия асимметричных полей напряжений.

Практическая ценность работы;

1. Разработаны и испытаныновые конструкции: анкерной-крепис уп-руго-решетчатымш подхватами^, создающими предварительный подпор по обнаженной поверхности: кровли-: комбинированнойкрепи состойкамиусиленияжелезобетонной предварительно-напряженной^ крепи? сопряженийусиленной" комбинированною крепи со сталеполимерными анкерамидвойным* слоем набрызг-бётона и плоскими, сварными решетками-подхватами.

2. Разработаны инженерные: методики— расчета' параметров? крепи применительно ко всем: установленным типам, геомеханических, условий эксплуатации. выработок на рудниках- «Маяк», «Комсомольский», «Октябрьский" — «Таймырский», и"Скалистый"НорильскогоЕМК.

31 Разработаны требованияк. крепи горных выработок в условиях проявленийэффекта зональной дезинтеграции породного массива: и созданы системно-секционные крепи для этих условий.

Реализацияфаботыг.

Результаты работы используются в проектных и проектно-конструкторских организациях «Норильскпроект», «Гипроникель"* «Полиметалл» при выполнении проектно-конструкторских работ, вошли составной частьюв^ нормативно-методические документы, регламентирующие выбор вида, параметров и конструкции крепи горных выработок на рудниках «Заполярный», «Маяк», «Комсомольский», «Октябрьский»,. «Таймырский» и «Скалистый» Норильского горно-металлургического комбинатана предпри—ятиях «ОУБР» и «АЛРОСЛ» .

Личный вклад авторазаключаетеяв:

— постановке проблемы, организации и проведении: широкомасштабных длительных: исследований: проявлений горного давления! в горных выработках Вразличных геомеханических условиях их эксплуатации на рудниках Норильского FMK-:

— постановке задач и разработке методики исследований на моделях из эквивалентных материалов;

— выборе объектов исследований и руководстве опытно-промышленными испытаниями анкерной сталеполимерной и комбинированной усиленной крепей;

— организации и-про ведении опытно-экспериментальных работ по>изучению работоспособности новых разработанных типов и конструкций крепи горных выработок в условиях проявлений зональной дезинтеграции породного массива;

— получении основных научных результатов диссертации.

Апробация. Основные положения диссертации докладывались — на Международной * конференции по механике горных пород (Санкт-Петербург, 1996 г.), на Международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск 2005 г.), на Международной конференции «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (Новосибирск 2006, 20 081 гг.) — на1 региональной"научно-практической конференции «Добыча и переработка руд Норильского промышленного района» (Норильск, 2005 г.), на заседании горной секции HTG Норильского горнометаллургического комбината (Норильск, 2005 г.), на научных семинарах в Институте горного дела СО РАН (Новосибирск, 2006, 2008 гг.), на секции Ученого совета по геомеханике ВНИМИ (Санкт-Петербург, 2006, 2007 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено^ 26 опубликованных работах, в том числе, в изданиях, рекомендованных ВАК, — 15, в сборниках научных трудов и материалах всесоюзных конференций — 4, а также в 3 монографиях, 3 нормативных документах и 1 учебном пособии.

Объем работы. Диссертация состоит из общей характеристики работы, семи глав, заключения, изложенных на 282 страницах машинописного текста, содержит 89 рисунков, 19 таблиц, список литературы из 143 наименований.

Выводы по главе.

1. Выполненные исследования [134−143] показали, что конструкция и взаимодействие элементов практически всех применяемых типов крепи предполагает работу ее для/случаев формирования в поддерживаемом массиве симметричного^ однородного поля «напряжений, в котором суммарный вектор преобладающих деформаций близок к вертикальному, что в большинстве случаев не соответствует реальному полю напряжений, формирующемуся в массиве вокруг горных выработок. Сформулированы требования к конструкциям крепи, обеспечивающие устойчивое состояние выработок в рассматриваемых условиях.

2. При определении параметров крепи горных выработок в качестве критерия проявлений горного давления необходимо^ принимать не только смещения их породного контура за весь срок службы, но и выявленные формы разрушений контура, характерные для геомеханических условий эксплуатации выработок данной группы.

3. Проведенные исследования позволили создать единую" классификацию устойчивости горных выработок, в которой, в' отличие от известных, нашла отражение не только геологическая, hoj и геомеханическая составляющая, на основании’которой можно обоснованно выбирать. тип крепи, соответствующий реальным условиям эксплуатации! выработок и выполнять расчеты ее параметров.

4. Разработаны и испытаны новые конструкции крепи и ее элементов, соответствующие выявленным величинам смещений и формам разрушения контура выработки, а именно" - усиленной комбинированной крепи с двойным слоем набрызг-бетонакрепи сопряжений, в которой основные несущие элементы состоят из кустов предварительно-напряженных анкеровкомбинированной крепи с установленными в боках выработки от почвы до пяты свода вертикальными металлическими элементами из швеллера, спецпрофиля или полосовой стали, закрепленных анкерами в почве боках и пяте свода выработкиупругой решетки-подхвата, позволяющей создавать предварительный подпор вокруг анкеров равный 25−30 кН/м .

Глава VII. Методики расчета параметров крепи горных выработок для различных геомеханических условий их эксплуатации.

7.1. Крепление и поддержание горных выработок в массиве в обычных условиях, вне областей повышенных концентраций напряжений.

Обычные условия проведения и поддержания выработок характеризуются отсутствием областей с повышенными концентрациями напряжений от влияния очистных работ, тектоники, оставленных целиков и т. п. Этим условиям соответствует выработки группы «А» (глава 2). В таких условиях на больших глубинах (свыше 700 м) устойчивое состояние выработок, проводимых по породам и рудам, зависит от структурных особенностей и физико-механических свойств массива, угла встречи выработки с наиболее развитой системой трещин, ориентировки выработки по отношению к тектоническимнарушениям, размеров выработки, а также соответствия применяемой крепи возможным величинам деформаций массива и формам его разрушения.

Выбор вида и параметров крепи выработок для этих условий, по результатам проведенных исследований, необходимо осуществлять, руководствуясь фактором устойчивости пород и предельно-допустимой величиной смещений того или иного вида крепи (см. табл. 14). В зависимости от класса выработок расчет параметров поддерживающих видов крепи (монолитный бетон и железобетон, металлическая арочная податливая крепь с усилением анкерами и без них и др.) следует производить в соответствии с методическими положениями, ранее изложенными в работах [101, 102, 104].

Для определения параметров комбинированной крепи, которая в настоящее время является базовой крепью на рудниках Талнахского рудного узла и состоит из анкеров (железобетонных или сталеполимерных), набрызг-бетона и сварной металлической решетки, автором, по результатам проведенных исследований построены номограммы (рис. 78).

Рис. 78. Номограмма для определения параметров* комбинированной крепи.

В данной номограмме пределы областей устойчивости пород, заключенные между осью абсцисс и линиями 1 (устойчивые породы), 1—2 (породы средней устойчивости 2 — 3 (слабоустойчивые) и 3 — 4 (неустойчивые породы), находятся в зависимости от угла встречи выработки с наиболее развитой основной системой, трещин и направления действия, главных горизонтальных тектонических напряжений, характеризуемых величиной коэффициента Ка. Ранее проведенные исследования показали, что направления максимальных горизонтальных тектонических напряжений ориентированы субперпендикулярно основной системе трещин [133].

Нижний предел категории устойчивости пород, совпадающий' с осью абсцисс и линиями 1, 2, 3 и 4, соответствует направлению проведения выработки, порядка 90° по отношению к этим влияющим факторам. Средняя, часть между линиями пределов устойчивости пород соответствует направлению проведения выработки под углом 60° по отношению к ориентировке указанных влияющих факторов, а область категории устойчивости пород выше средней части и до линий, определяющих их верхнийпредел, соответствуют углу встречи выработки с влияющими факторами менее 40°.

Влияние угла встречи выработки с наиболее развитой системой трещин в большей степени проявляется в породах устойчивых. В неустойчивых породах превалирующее-влияние оказывает направление действия! максимальных напряжений.

7.2. Крепление и поддержание горных выработок в зоне действия. повышенных или пониженных напряжений•.

В зонах действия повышенных напряжений находятся1 выработки, проводимые и поддерживаемые в отрабатываемом рудном теле и на его контактах с вмещающими породами, в краевых частях подрабатываемого и надра-батываемого массива, в разделительных массивах и целиках, над или под целиками, а также в условиях проявления зонального разрушения пород как в нетронутом массиве от действия тектонических напряжений, так и при воздействии опорного давления от влияния очистных работ. К этим условиям относятся выработки групп В1 и С (глава 2) и классов II и III (табл. 14). Распространение областей действия повышенных полей напряжений при воздействии опорного давления от влияния очистных работ показано на рис. 79, 80, а условия возникновения и проявления эффекта зональной дезинтеграции в гл. V.

При применении комбинированной (базовой) крепи из анкеров (железобетонных и сталеполимерных), набрызг-бетона и сварной металлической решетки для определения параметров комбинированной крепи построена номограмма, которая приведена на рис. 81.

В породах и рудах весьма сильной нарушенности (раздробленные породы) базовую комбинированную крепь не рекомендуется использовать как средство усиления поддерживающих видов крепи.

7.2.1. Крепление горных выработок в условиях проявления* зональной дезинтеграции.

Повышенные концентрации1 напряжений от влияния очистных работ в разделительных массивах, целиках, краевых частях очистной выемки, а также в нетронутом массиве от влияния тектоники могут в несколько раз превышать фоновые. При достижении значений напряжений, превышающих прочность пород в массиве, происходят разрушения его на контуре и в глубине с образованием чередующихся зон нарушенных и условно ненарушенных пород, повторяющих контур выработки (явление зональной дезинтеграции). При этом блочный массив приобретает структуру и свойства слоистого массива. Крепление выработок в таком массиве целесообразно осуществлять комбинированной крепью путем формирования с помощью анкеров несущего слоя определенной мощности. Мощность несущего слоя пород, скрепляемого анкерами, определяется по формуле, полученной автором в результате обработки экспериментальных данных:

7.1) а — впереди фронта очистных работ: по восстанию 1Ъ и падению 1п залежи, в зависимости от глубины работ и пролета подработки (1 — 10, соответственно, до 40, 60, 80, 120, 160, 200, 240, 280, 320, свыше 320 м) — б — после фронта очистных работ в под- (hi) и надрабатываемом (аг) массиве.

Рис. 79. Распространение области повышенных деформаций ь&bdquo-, м.

1 — 10, соответственно, до 40, 60, 80, 120, 160, 200, 240, 280, 320, > 320 м.

Рис. 80. Распространение области повышенных деформаций hu и hH в поди надрабатываемом массиве в зависимости от Н и L.

Рис. 81. Номограмма для определения параметров комбинированной крепи в зоне очистных работ где В — ширина выработки в проходке, му — объемный вес пород, мН/м — кгкоэффициент глубины, равный: kr = k0yH/Rc,.

7.2) где к0 — коэффициент концентрации напряженийку — коэффициент влияния на упрочнение пород угля встречи анкеров с развитой системой трещинкпкоэффициент пригрузкикШ1 — коэффициент запасаН — глубина выработки от поверхности, мRc — прочность пород на одноосное сжатие, МПа.

Входящие в формулу (7.1) коэффициенты и параметры характеризуются следующими величинами: кт — коэффициент глубины при значении kv > 1,0 с учетом структурной особенности массива характеризует образование вокруг выработок зонального разрушения пород. В расчет следует принимать к0 = 1,5 при проведении выработки в условиях действия повышенного поля напряжений от влияния тектоники, и к0 — 2,5 при попадании выработки в зону опорного давления от влияния очистных работ или проведении ее в этой зонеку — коэффициент влияния на упрочнение пород угла встречи анкеров с наиболее развитой системой трещин, находится в пределах ку = 1,2−1,7. -Меньшая величина соответствует установке анкеров, попарно скрещивающихся под углом 60° в средней части выработки, большая величина — установке анкеров под небольшим углом (меньше 30°) к системе трещин, а средняя величина — установке анкеров нормально к этой системекп — коэффициент пригрузки принимается равным 1,55 при образовании одной зоны дезинтеграции, 2,4 при двух и 3,2 при трех зонах дезинтеграциикап — коэффициент запаса для пород Талнахского рудного узла с увеличением прочности пород с 60 до 200 МПа уменьшается с величины 1,8 до 1,0 и определяется по признаку, представленному на рис. 82;

Rc — прочность пород на одноосное сжатие определяется по формуле:

Rc = (Ята* + Rmn)/2, (7.3) где Ятач и Rmm — максимальное и минимальное сопротивление пород на одноосное сжатие в кровле выработки на высоту В12.

Прочность пород.

Рис. 82. График значений коэффициента запаса для пород различной прочности.

Длину анкеров принимают равной: к = т11С + /в, (7.4) где /в — длина выступающей в выработку части анкера, м.

Задается расстояние между рядами анкеров в диапазоне 0,5 — 1,2 м и по номограмме, представленной на рис. 83, определяют сопротивление анкерной крепи Рак в зависимости от соотношения В/тнс и принятых расстояний между рядами анкеров Ск.

После определения необходимого сопротивления анкерной крепи находится фактический периметр свода, считая, что с некоторым приближением он равен длине полуокружности, диаметр которой равен расстоянию между пятами свода (В) выработки:

Р., кН/м 200 8 ft Ф 160 4.

2 в, а Ф s е* 120.

4 * о.

5 в о 6 о и.

С =0.5м 0, 6 м.

П 7 м.

— 0.8м.

3 4.

Отношение ширины выработки к мощности несущего слоя.

В/т,.

Рис. 83. Номограмма для определения сопротивления анкерной крепи.

LCB — кВ12.

7.5) где LCB — фактический периметр свода выработки.

Требуемое количество анкеров в ряду (77к) рассчитывается по формуле:

П. =.

PL С 2/7, ак св ~к I N С.

7.6).

При поддержании выработок комбинированной крепью из анкеров, набрызг-бетона и сварной металлической решетки в условиях интенсивного разрушения ее боков целесообразно устанавливать вертикальные стойки от почвы до пяты свода, плотно прижимая ими металлическую решетку к породным стенкам выработки. Стойки выполняются из швеллера, спецпрофиля, полосовой стали толщиной 5 — 10 мм и шириной 50 — 100 мм или стержней арматуры диаметром 20−30 мм, закрепляемых анкерами в почве, боках и пяте свода выработки. Шаг установки стоек 1 — 1,2 м. Жесткость их принимают в зависимости от степени нарушенности пород или руд в боках выработки: чем раздробленнее порода, тем жестче стойки (швеллер, спецпрофиль) и др. Глубина штангования принимается равной возможной величине разрушения боков, которое определяется по формуле: ро = (0,7 — 085)/1Ь (7.7) где h — высота выработки, м.

7.2.2. Крепление и поддержание выработок в зонах разгрузки.

В зонах разгрузки находятся выработки, расположенные в подработанном и надработанном массивахпройденные вприсечку к закладочному массивупроведенные и поддерживаемые в массиве, разгруженном скважинами большего диаметра.

Для вновь подготавливаемых горизонтов в случае применения жестких видов крепи (монолитный бетон, железобетон, набрызг-бетон и т. п.) выработки в подрабатываемом массиве располагают за пределами областей повышенных и критических деформаций (см. гл. IV), но не ближе чем показано в табл. 17 при развитых пролетах подработки. Данные табл. 17 корректируют умножением на коэффициент ки влияния эффективной мощности рудной залежи, зависимость от которой представлена на рис. 84.

О 12 24 36 п, м n — эффективная мощность отрабатываемой рудной залежи Рис. 84. График для определения коэффициента Кп.

Рис. 85. График для определения коэффициента Кт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технические и технологические решения обеспечения^ устойчивости подземных горных выработок, пройденных в предельно-напряженном рудном массиве блочного строениявнедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны. Научно обоснован ряд технических и технологических решений, позволивших повысить эффективность и безопасность отработки рудных месторождений на больших глубинах.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем.

1. На больших глубинах в реальном горном массиве блочного строения вокруг выработок формируется поле повышенных напряжений, которое относительно! их сечения характеризуется неоднородностью и асимметричностью. Величина напряжений на отдельных участках контура выработок в несколько (3−5) раз превышает прочность окружающего массива и несущую способность крепи и является причиной их деформаций и разрушения.

2. Установлены закономерности проявлений горного давления в-горных выработках, проводимых до начала очистных работ, расположенных в зоне опорного давления, в надработанноми подработанном массиве. Построены номограммы, позволяющие производить прогноз смещений контура выработки при прочности пород на сжатие от 20 до 80 МПа на глубинах до 1500 м.

3. В зоне влияния тектонических нарушений интенсивность проявлений горного давления зависит от взаимного расположения выработки и плоскости сместителя, угла встречи с ним, расположения ее в лежачем или висячем боку нарушения. Получены зависимости смещений кровли и объемов обрушений пород от указанных факторов. Установлено, что основной формой вывалов пород на участке тектонических нарушений являются вывалы из кровли с образованием несимметричного свода шатровой формы. Высота свода обрушения может превысить пролет выработки, а основную роль в разрушении контура выработки играют тектонические горизонтальные напряжения.

4. Установлено, что на большой глубине вокруг выработки на различном расстоянии от контура формируются области, в которых напряжения в 1,5−2,0 и более раз превышают исходные, в этих местах и происходят последующие разрушения пород с образованием вокруг выработки дезинтеграци-онных зон, при этом блочный массив на расстоянии от контура выработки 7— 12 м превращается в слоистый трещиноватый массив с толщиной слоев-от 0,6−0,8 до 1,2−1,7 м. Величины смещений пород на контуре при проявлении зональной дезинтеграции на порядок превышают величину смещений в выработках, в которых не отмечено это явление. Интенсивный рост смещений в проводимой выработке происходит в течение 6−10 часов0и достигает 50−300 мм. В ранее пройденной выработке при создании условий^ зональной дезин- < теграции смещения развиваются мгновенно, достигая указанных величин часто с повреждениями крепи и вывалами породы.

5. Экспериментально решена задача о напряженном состоянии в окрестности выработки круглого сечения, окруженной кольцами раздробленных и ненарушенных пород. Решение этой задачи позволяет определить один из важнейших для практики параметров — расстояние от контура выработки до внешней границы наиболее удаленной зоны разрушения. Доказано, что зональная дезинтеграция является! незаконченной фазой перехода породы в предельное состояние с сохранением вероятности перехода в предельное состояние во всем объеме зоны опорного давления.

6. Доказано, что при определении параметров крепи горных выработок на больших глубинах в качестве критерия проявлений горного давления необходимо принимать не только смещения их породного контура за весь срок службы, но и формы разрушений, характерные для геомеханических условий эксплуатации выработок данной группы. Разработана классификация устойчивости горных выработок, в которой, в отличие от известной-, нашли отражения? не только геологическая, но и геомеханическая составляющая, на основании которых можно обоснованно выбирать тип креписоответствующий реальным-условиямэксплуатациивыработок и выполнять расчеты/ ее: параметров.

7. Установленочто конструкции и: взаимодействие элементовшракти-чески всех применяемых типов крепей рассчитаныдля? случаев формирования в" поддерживаемом массиве симметричного однородного полянапряженийв котором суммарный вектор— преобладающих деформаций близок к вертикальному. Это в большинстве случаев не соответствует реальному полю напряжений, формирующихся в массиве вокруг горных выработок. Сформулированы требования! к: конструкциям крепйобеспечивающим* устойчивое состояние выработок в рассматриваемых условиях. Показано, что при выборе и установлении параметровкрепи необходимо принимать во внимание не только смещения породного контура за весь срок службы, но и выявленные формы разрушений контура, характерные для геомеханических условий эксплуатации выработок данной группы.

8. Разработаны, и испытаны новые конструкции крепи и ее элементов,. г ' соответствующие сформулированным требованиям, а также выявленным величинам смещений и формам разрушения выработок: усиленной-комбинированнойкрепи с двойным слоем: набрызг-бетона, сопряженийв, которой основные несущие элементы, состоят изкустов^ предварительно-напряженных анкеров, комбинированной крепи, с. установленными, в боках выработки от почвы, до пяты свода вертикальными металлическими элементами из швеллера1 спецпрофиля или полосовой стали-«закрепленных анкерами в почве боках и пяте свода выработкиупругой решетки-подхвата, позволяющей создавать предварительный подпор вокруг анкеров равный.25−3 0 кН/м .

9. Разработаны, методики определенияшараметров крепи горных выработок для определенных геомеханических условий их эксплуатации: одиночных выработок, пройденных в сильно напряженном породном массиве, в том числе при проявлении зональной дезинтеграциивыработок, пройденных в подработанном и надработанном массивев зонах влияния тектонических нарушенийв зонах повышенного опорного давления под влиянием очистных работ.