Обеспечение устойчивости сопряжений горизонтальных выработок при разработке Яковлевского железорудного месторождения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат технических наук Петров, Дмитрий Николаевич

• Петров, Дмитрий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Петров, Дмитрий Николаевич

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований.

1.1. Горногеологические и гидрогеологические условия Яковлевского месторождения.

1.2. Физико-механические свойства руд и вмещающих пород.

1.3. Анализ методов расчета напряженно-деформированного состояния и оценки устойчивости сопряжений выработок.

Глава 2. Экспериментальные исследования проявления горного давления на сопряжениях горизонтальных выработок.

2.1 Обследование сопряжений выработок, пройденных по рудному массиву.

2.2. Методика и результаты экспериментальных исследований зон разрушения вокруг сопряжений выработок 35 в слабых рудах.

2.3 Натурные наблюдения за смещением вмещающего сопряжения выработок рудного массива.

2.4 Определение размеров зоны разрушенных пород в приконтурном массиве методом сверления.

Глава 3. Моделирование напряженно-деформированного состояния массива в районе сопряжения горных выработок.

3.1 Постановка задачи и построение конечно-элементной модели.

3.2 Результаты численных экспериментов по взаимодействию выработок.

Глава 4. Расчет нагрузок на крепь сопряжений горных выработок и обоснование рациональных их конструкций.

4.1 Методика расчета нагрузок на плоское перекрытие крепи.

4.2 Методика расчета нагрузок на арочное перекрытие крепи.

4.3 Обоснование эффективных конструкций крепи сопряжений.

4.4 Рациональные конструкции крепей сопряжений выработок Яковлевского рудника.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение устойчивости сопряжений горизонтальных выработок при разработке Яковлевского железорудного месторождения»

Яковлевское железорудное месторождение является уникальным как по запасам богатой руды, так и по сложности геологических, горнотехнических и гидрогеологических условий.

В геологическом строении месторождения выделяются два различных генетических комплекса пород: докембрийский кристаллический фундамент и перекрывающая его мощная толща осадочных пород горизонтального залегания. Кристаллические породы представлены плагиогранитами и метаморфическими породами - сланцами, железистыми кварцитами, филлитовыми сланцами. Богатые руды залегают среди выветренных железистых кварцитов на глубине 480-590 м в виде мощной, до 300 м, полосы клинообразной формы с углом падения 60-70°.

Гидрогеологические условия месторождения сложные. В разрезе прослеживается семь водоносных горизонтов. Залежь богатых руд на участке первоочередной отработки дренирована сетью транспортно-дренажных ортов и дренажных скважин.

Необходимость сохранения водозащитных свойств покрывающей рудной и породной толщи обуславливает высокие требования к качеству подготовительных, очистных и закладочных работ. На всех этапах добычи руды должно обеспечиваться эксплуатационное состояние сопряжений капитальных и подготовительных выработок в рудном массиве.

Особо сложная ситуация на сопряжениях горизонтальных выработок. В этой связи прогнозирование устойчивости рудных обнажений и выбор типов и параметров крепи сопряжений выработок, соответствующих горно-геологическим и горно-техническим условиям месторождения, является важнейшей задачей, имеющей первостепенное значение для обеспечения безопасной и устойчивой производственной деятельности рудника.

Значительный вклад в исследование процесса деформирования и разрушения пород вокруг горных выработок внесли: Ардашев К.А., Баклашов И.В., Булычев Н.С., Долгий И.Е., Зубов В.П., Картозия Б.А., Ковалев О.В., Козырев А.А., Огородников Ю.Н., Протодьяконов М.М., Протосеня А.Г., Руппенейт К.В., Смирняков В.В., Тимофеев О.В., Трушко B.JL, Фотиева Н.Н., Цимбаревич П.М., Шик В.М. и многие другие.

Проблемой обеспечения устойчивости сопряжений горных выработок занимались Данилкин М.С., Константинова С.А., Минин В.А., Мирзаев Г.Г., Найдов М.И., Першин В.В., Павлова Л.Д., Писляков Б.Г., Сыркин П.С., Трушко B.JL, Широков А.П., и другие.

Цель работы: обеспечение устойчивости сопряжений горизонтальных выработок при разработке Яковлевского месторождения.

Идея работы: выбор рациональных типов и параметров крепи сопряжений производится на основе особенностей деформирования рудного массива с учетом последовательности рассечки сопряжений.

Основные задачи работы:

- проведение натурных наблюдений за смещениями контуров выработок на участках сопряжения;

- разработка геомеханической модели деформирования рудного массива на участках сопряжения в условиях Яковлевского месторождения;

- разработка методики оценки устойчивости и нагрузок на крепь сопряжений горных выработок;

- разработка рекомендаций по креплению сопряжений выработок в рудах и породах с низкой устойчивостью.

Научная новизна работы.

- установлены закономерности распределения напряжений в рудном массиве, вмещающем сопряжения выработок, на базе разработанной пространственной конечно-элементной нелинейной геомеханической модели, учитывающей прочностные и деформационные характеристики пород, напряженное состояние нетронутого массива, геометрические размеры, форму выработок и последовательность рассечки сопряжения;

- выявлены экспериментально-аналитические зависимости смещений рудного массива на сопряжениях горных выработок, в частности, наибольшие величины смещений имеют место в кровле и почве и увеличиваются по сравнению с их значениями на контуре одиночной выработки в 1,34 раза для одностороннего сопряжения и в 1,57 раза для двухстороннего.

Защищаемые научные положения:

- разрушение массива на сопряжениях горизонтальных выработок в слабых рыхлых рудах происходит в форме вывала, максимальная высота свода разрушения находится в районе геометрического центра сопряжений и для односторонних сопряжений составляет 1,5ч-2 м, а для двухсторонних - 3+4 м. На односторонних сопряжениях разрушение боковых целиков со стороны сопрягающейся выработки составляет 0,5+1,5 м, с противоположной стороны разрушение незначительно;

- пространственная геомеханическая модель рудного массива, вмещающего сопряжение горных выработок должна учитывать, кроме прочностных и деформационных характеристик рудного тела, напряженное состояние нетронутого массива, взаимовлияние сопрягающихся выработок и последовательность рассечки сопряжения;

- расчет нагрузок на крепь сопряжений выработок в слабых рудах следует производить по выявленной экспериментально-аналитической зависимости, базирующейся на теории свода; устойчивое состояние сопряжений можно обеспечить с помощью арочного перекрытия на камерных рамах.

Практическая значимость работы:

- разработанное автором "Устройство для определения прочности горных пород в массиве" принято геологической службой Яковлевского рудника;

- разработана методика расчета нагрузок на крепь сопряжений выработок в рыхлых рудах;

- определены рациональные виды и параметры крепей для поддержания сопряжений выработок, пройденных в рыхлых рудах.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций: подтверждается значительным объемом экспериментальных натурных наблюдений за состоянием крепи сопряжений и деформациями вмещающих пород, моделированием напряженно-деформированного состояния (НДС) массива вокруг выработок методом конечных элементов.

Апробация диссертации: содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных конференциях молодых ученых и студентов СПГГИ(ТУ) им. Г.В. Плеханова "Полезные ископаемые России и их освоение" (Санкт-Петербург, 2005, 2006, 2007); конференции молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (2006); научно-техническом совете СПГГИ (ТУ).

Личный вклад автора заключается:

В постанове задач исследований, в проведении натурных исследований, обработке полученных данных на ЭВМ, анализе натурных данных, создании конечно-элементных моделей для исследования особенностей формирования напряженно-деформированного состояния вокруг сопряжений выработок, выполнении численных экспериментов и разработке практических рекомендаций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ в вузовских и межвузовских сборниках научных трудов и в соавторстве с Максимовым А.Б. получен патент РФ на "Устройство для определения прочности горных пород в массиве" (№2303251 от 22.03.2006).

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 80 именований, 61 рисунок и 8 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика», Петров, Дмитрий Николаевич

Основные выводы по работе

1. В слабых рудах Яковлевского месторождения вокруг сопряжений выработок образуется свод разрушения. Высота свода для односторонних сопряжений составляет 1,5-^2 м, для двухсторонних -3+4 м, с удалением от центра высота свода уменьшается. Разрушение боковых целиков находится в пределах 0,5-^1,5 м и зависит от качества забутовки закрепного пространства.

2. Разработана геомеханическая модель, которая учитывает прочностные и деформационные характеристики рудного тела, напряженное состояние нетронутого массива, уравнения состояния среды, взаимодействие выработок и технологию их строительства сопряжений.

3. Выявлены закономерности распределения напряжений в рудном массиве на сопряжениях горных выработок, установленные с помощью пространственной конечно-элементной нелинейной геомеханической модели.

4. Установлены особенности деформирования и экспериментально-численные зависимости смещений рудного массива на сопряжениях горных выработок, наибольшие величины смещений формируются в кровле и почве и увеличиваются по сравнению с их значениями на контуре одиночной выработки в 1,28 раза для одностороннего сопряжения ив 1,55 раза для двухстороннего.

5. Расчет нагрузок на крепь сопряжений необходимо определять по разработанной методике, основанной на полученной экспериментально аналитической зависимости, учитывающей геометрические размеры свода разрушения и параметры крепи.

6. Крепь с арочным перекрытием способна обеспечить устойчивое состояние сопряжений в рыхлых рудах, при условии качественного выполнения работ по ее возведению и забутовке закрепного пространства.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Петров, Дмитрий Николаевич, 2007 год

1. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. М.: Недра, 1992, - 543 с.

2. Баклашов И.В., Руппенейт К.В. Прочность незакрепленных горных выработок. М.: Недра, 1965,

3. Баклашов И.В., Тимофеев И.В. Конструкции и расчет крепей и обделок. М., "Недра", 1979.

4. Батаев А.В. Исследование крепи сопряжений капитальных выработок. Управление деформациями горного массива. Л., ВНИМИ, 1986, с. 63-66.

5. Бебенин М.Е. Выбор рациональной крепи сопряжений капитальных выработок глубоких шахт. Уголь Украины, 1966, №4, с. 14-16.

6. Березанцев В.Г. Осесимметричная задача теории предельного равновесия сыпучей среды. М., изд.ГИТТЛ, 1962, 116 с.

7. Бокий Б.В., Зимина Е.А., Смирняков В.В., Тимофеев О.В. Проведение и крепление горных выработок. М.: Госгортехиздат, 1963, - 558 с.

8. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1982, - 270 с.

9. Булычев Н.С., Амусин Б.З., Оловянный А.Г. Расчет крепи капитальных горных выработок. М. Недра, 1974.

10. Буйлов Ю.Г., Коптейн Г.А. Опыт применения и дальнейшее совершенствование крепей сопряжения для выработок арочной формы. Уголь. 1989. №12.-с. 30-33.

11. Вайнберг Д.В. Концентрация напряжений в пластинах около отверстий и выкружек. Киев: Техника, 1969,

12. Галлагер Р. Метод конечных элементов: Основы. М.: Мир, 1984, - 428 с.

13. Геологическая изученность СССР. Т. 9. Белгородская, Брянская, Воронежская, Курская, Липецкая, Орловская, Тамбовская области период 19661970. вып.1. Отв. ред. Ассовский А.Н.; АН СССР. Мин-во геологии РСФСР -Москва: Недра, 1976, 502 с.

14. Геология, гидрогеология и железные руды Курской магнитной аномалии. Изд. Недра, Том I — М., 1970; Том II — М., 1972; Том III — М., 1969.

15. ГОСТ 260020-83. Двутавр нормальный.

16. Глушко В.Т. Разрушение горных пород и прогнозирование проявлений горного давления. М.: Недра, 1982, - 192 с.

17. Гусак А.А. Ряды и кратные интегралы. Мн., Изд. БГУ, 1970, 384 с.

18. Данилкин М.С. Исследование напряженно-деформированного состояния массива пород, вмещающих сопряжения горных выработок. Сборник научных трудов. Новочеркасск, НГТУ, 1996, с. 30-34.

19. Дашко Р.Э Инженерно-геологическая характеристика и оценка богатых железных руд яковлевского рудника. Записки горного института, т. 168, С-Пб., 2006.

20. Динник А.Н., Моргаевский А.Б., Савин Г.Н. Распределение напряжений вокруг подземных горных выработок. Труды совещания по управлению горным давлением. -М. Л., АН СССР, 1938, - 306 с.

21. Долгий И.Е., Протосеня А.Г., Силантьев А.А. Определение смещения контура горных выработок в условиях активного проявления горного давления. Устойчивость и крепление горных выработок. Межвузовский сборник. С-Пб, 1999 г.

22. Ержанов Ж.С., Каримбаев Т.Д. Метод конечных элементов в задачах механики горных пород. Алма-Ата: Наука, 1975. - 239 с.

23. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом. М. 2003.

24. Железорудные формации докембрия КМА и их перспективная оценка на железную руду. Изд. Недра, М., 1989.

25. Заславский Ю.З., Дружко Е.Б. Новые виды крепи горных выработок. -М.: Недра, 1989,-256с.

26. Заславский Ю.З., Мостков В.М. Крепление подземных сооружений.- М.: Недра, 1979.

27. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред М.:Недра, 1974, - 240 с.

28. Изучение напряжённого состояния и устойчивости руд на участке первоочередной отработки Яковлевского рудника. Отчёт по НИР. Белгород: ВИОГЕМ, 2002.

29. Ильнитская Е.И., Тедер Р.И., Ватолин Е.С., Кунтыш Е.Ф. Свойства горных пород и методы их определения. М., Недра, 1969. 392 с.

30. Инструкция по выбору рамных податливых крепей горных выработок. Изд. 2-е, перераб. и доп. СПб, 1991.

31. Инструкция по креплению полевых горизонтальных и наклонных выработок шахт Североуральского бокситового бассейна. СПб., 1996.

32. Информационный отчет на тему: «Богатые железные руды Яковлевского месторождения КМА: условия залегания, генезис, минеральный состав, текстуры, физико-механические свойства». СПГГИ (ТУ). Рук. проф. Дашко Р.Э.,С.-Пб. 1998 г.

33. Исследование и прогноз инженерно-геологических условий участка первоочередной отработки богатых руд Яковлевского месторождения на стадии доразведки. Отчет по НИР, ВИОГЕМ, Белгород, 1985, 145 с. Рук. В.А. Котов.

34. Кузнецов Г.Н., Будько М.Н., Васильев Ю.И. и др. Моделирование проявлений горного давления. Д., "Недра", 1968, с.279.

35. Матвеев А.В., Луговской Ю.Н., Очкуров В.И., Максимов А.Б. Рациональные параметры поддерживающей крепи горизонтальных выработок. Записки горного института. СПГГИ(ТУ), СПб, 2006 г. Т 168,. С. 191-195.

36. Мерзаев Г.Г., Протосеня А.Г., Огородников Ю.Н., Вхарев В.И. Крепь горных выработок глубоких рудников. М.: Недра, 1984, - 252 с.

37. Минин В.А. О классификации сопряжений капитальных горных выработок и технологии их сооружения. Шахтное строительство. 1988. №10. -с. 23-26.

38. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М., "Наука", 1966.- 705с.

39. Насонов И.Д. Моделирование горных процессов. М., Недра, 1978. с. 256.

40. Найдов М.И., Петров А.И., Широков А.Н. Поддержание сопряжений горных выработок. М.: Прометей, 1990, - 140 с.

41. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов. М.: Мир, 1981,-304 с.

42. Огородников Ю.Н. Проектирование крепи из железобетонных штанг, сетки и набрызгбетона по аналогам: Сб. Устойчивость и крепление горных выработок. ЛГИ, 1988. С. 18-26.

43. Отчет по договору №7/2004 "Научное сопровождение строительства и ввода в эксплуатацию Яковлевского рудника". Санкт-Петербург, 2004.

44. Павлова Л.Д., Фрянов В.Н. Расчет пространственного напряженно-деформированного состояния углепородного массива методом конечных элементов в окрестности сопряжений горных выработок. Компьютерные учебные программы и инновации. 2002. - № 6(10) - С. 29.

45. Павлова Л. Д. Настройка пространственной расчетной модели геомеханических параметров в разрушаемом углепородном массиве. Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2004. - № 3. - С. 610.

46. Павлова Л.Д. Алгоритм прогноза напряженно-деформированного состояния и разрушения горных пород в окрестности подготовительной выработки. Известия вузов. Горный журнал. 2003. - № 1. - С. 59 - 63.

47. Пахалуев В.Ф., Огородников Ю.Н., Зыков Д.Б., Максимов А.Б. Деформации рудного обнажения за крепыо КМП-АЗ. Записки горного института. СПГГИ(ТУ), СПб, 2006 г. Т 168,. С. 175-180.

48. Потапенко В.А., Казанский Ю.В. и др. Проведение и поддержание выработок в неустойчивых породах. -М.: Недра, 1990, 336с.

49. Потемкин Д.А., Плащинский В.Ф. Параметры поля напряжений в рудно-кристаллическом массиве до начала ведения горных работ. Записки горного института, т.168, С-Пб., 2006.

50. Протодьяконов М. М. Давление горных пород и рудничное крепление. -М.: Гостехиздат, 1930.

51. Протосеня А.Г., Лебедев М.О. Постановка задач по расчету напряженного состояния около выработок // Межвузовский сборник научных трудов "Устойчивость и крепление горных выработок". С-Пб, СПГГИ, 1999. С. 115118.

52. Протосеня А.Г. Прогнозирование перемещений массива вокруг горных выработок с учетом разрыхления пород в пластической зоне. Шахтное строительство, 1977, №7, с. 17-19.

53. Розин JI.A. Задачи теории упругости и численные методы их исследований СПб.; Изд-во СПбГТУ, 1998. 532 с.

54. Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород. -М. Углетехиздат, 1954, 384 с.

55. Слесарев В.Д. Механика горных пород и рудничное крепление. М., Углетехиздат, 1948, 303 с.

56. СНиП П-23-81* "Стальные конструкции. Нормы проектирования" М.: Стройиздат, 1982.

57. СНиП П-94-80. Подземные горные выработки. Нормы проектирования. -М.: Стройиздат, 1982.

58. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. Физматгиз, 1960.

59. Ставрогин А.Н., Бич Я.А. Методические указания по испытаниям горных пород в натурных условиях. -JL, ВНИМИ, 1969, с. 50.

60. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Пластичность горных пород М.:Недра, 1979.-212 с.

61. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах М.; Недра, 1985,

62. Ставрогин А.Н., Тарасов Б.Г. Экспериментальная физика и механика горных пород. СПб., "Наука", 2001, - 343 с.

63. Сыркин П.С., Минин В.А., Данилкин М.С., Садохин А.Н. Строительство сопряжений горных выработок. М., Недра, 1997, с. 324.

64. Тимофеев О.В. Методика расчета параметров штанговой крепи при упруго-пластической деформации массива пород. Устойчивость и крепление горных выработок. Л., 1974.

65. Тимофеев О.В. Об устойчивости и классификации сопряжений горизонтальных выработок. Устойчивость и крепление горных выработок. Исследование взаимодействия массива с крепью выработок. Л., 1988, с.48-53.

66. Трушко В.Л. Протосеня А.Г. Плащинский В.Ф. Оценка устойчивости обнажений и расчет нагрузок на крепь Яковлевского рудника. Записки горного института, т. 168, С-Пб., 2006.

67. Устойчивость и крепление горных выработок. Крепление и поддержание горных выработок в сложных горно-геологических условиях: Межвуз. сб. науч. тр. СПб.: СПГГИ, 1994. - 145 с.

68. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987, - 224 с.

69. Фисенко Г.Л. Предельные состояния горных пород вокруг выработок. М., "Недра", 1976.- 272 с.

70. Формозова Л.Н. Формационные типы железных руд докембрия и их эволюция. Изд. Недра, М., 1973.

71. Цимбаревич П.М. Механика горных пород. М., Углетехиздат, 1948, -183 с.

72. Чайкин С.И. Типы текстур железистых кварцитов КМА, характер изменения в разрезе и по формационному профилю. Геология рудных месторождений, Т XXI, 5, сентябрь—октябрь, Изд. Наука, М., 1979.

73. Чайкин С.И., Саар А.А. и др. Отчет о геолого-разведочных и поисковых работах на Яковлевском железорудном месторождении КМА по состоянию на 1 октября 1958, кн.1 и 2.

74. Черданцев Н.В., Изаксон В.Ю. Устойчивость сопряжения двух горных выработок сводчатой формы. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых №2, ИГД СО РАН, 2004, с. 48-51.

75. Черданцев Н. В., Черданцев С. В. Зоны нарушения сплошности в области сопряжения двух горных выработок. Прикладная механика и техническая физика №4, ИГД СО РАН, 2004 с. 137-139.

76. Черняк И.Л., Бурчаков Ю.И. Управление горным давлением в подготовительных выработках глубоких шахт.

77. Широков А.П., Писляков Б.Г. Расчет и выбор крепи сопряжений горных выработок. М.: Недра, 1988, - 214 с.

78. Штанговая крепь. Под общей редакцией проф. В. Н. Семеневского. М., "Недра", 1965.-327 с.

79. ABAQUS Online Manuals. Release 6.5. User Programmable Features.