На правах рукописи ПОПОВ Михаил Григорьевич ПРОГНОЗ УСТОЙЧИВОСТИ

На правах рукописи
ПОПОВ Михаил Григорьевич
ПРОГНОЗ УСТОЙЧИВОСТИ
ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК
В ЗОНАХ ОСЛАБЛЕНИЙ РУДНОГО МАССИВА
(НА ПРИМЕРЕ ЯКОВЛЕВСКОГО РУДНИКА)
Специальность 25.00.20 – Геомеханика, разрушение горных пород,
рудничная аэрогазодинамика и горная
теплофизика
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
САНКТ–ПЕТЕРБУРГ
2010
Работа выполнена в государственном образовательном
учреждении высшего профессионального образования СанктПетербургском государственном горном институте имени Г.В.
Плеханова (техническом университете).
Научный руководитель –
заслуженный деятель науки и
лауреат премии Правительства РФ,
доктор технических наук, профессор
Анатолий Григорьевич Протосеня
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Александр Петрович Господариков,
кандидат технических наук
Михаил Олегович Лебедев
Ведущее предприятие – ООО «Институт Гипроникель»
Защита
диссертации
состоится 27 апреля 2010 г.
в 13 ч 15 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06
в Санкт-Петербургском государственном горном институте
имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу:
199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. № 1160.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СанктПетербургского государственного горного института (технического университета).
Автореферат разослан 26 марта 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.т.н., профессор
Э.И. Богуславский
2
Актуальность работы.
Яковлевское железорудное месторождение относится к
одному из крупнейших по запасам богатых высококачественных
железных руд, имеющих высокое содержания железа.
Геологическое строение месторождения сложное. В висячем
(восточном) борту рудного тела Яковлевской залежи отчётливо
прослеживаются складчатые структуры с нарушением сплошности
пород. Разрывные нарушения имеют сбросово-сдвиговый характер и
формируют многочисленные зоны дробления. На юго-восточной
части структура усложнена тектоническими нарушениями.
Месторождение содержит различные типы руд и имеет породные
включения.
Проходка горизонтальных горных выработок в зонах
тектонических нарушений, а также на контактах руд различных
типов на практике зачастую сопровождается вывалообразованиями
и разрушением кровли выработок.
Анализ случаев вывалообразования и разрушений различных
типов крепей, применяемых на Яковлевском месторождении в
различных геологических условиях, показал, что эти явления
особенно резко проявляются при проходке горных выработок по
зонам нарушений и ослаблений и на контактах различных типов
пород и руд.
Значительный
вклад
в
исследование
процесса
деформирования и разрушения пород вокруг горных выработок в
нарушенных зонах массива внесли: Баклашов И.В., Безродный К.П.,
Булычев Н.С.,
Ардашев К.А.,
Долгий И.Е.,
Картозия Б.А.,
Зубов В.П.,
Козырев А.А.,
Руппенейт К.В.,
Ковалев О.В.,
Огородников Ю.Н., Протосеня А.Г., Трушко В.Л., Фотиева Н.Н.,
Фролов Ю.С., Цимбаревич П.М., Кузнецов Г.Н., Изаксон В.Ю. и
многие другие.
Однако, применительно к условиям Яковлевского рудника,
не рассматривались вопросы прогнозирования параметров
напряженно-деформированного состояния рудного массива и зон
разрушения вокруг выработок на участках тектонических
нарушений и ослаблений массива.
3
Цель диссертационной работы. Обеспечение устойчивости
выработок в зонах ослаблений рудного массива в условиях
Яковлевского рудника.
Идея работы: обеспечение устойчивости выработок в
ослабленных зонах рудного массива должно базироваться на
упрочнении массива и повышении несущей способности крепи с
учетом закономерностей изменения смещений и напряжений вокруг
горных выработок.
Основные задачи исследования:
 изучение особенностей строения и распределения зон
неоднородностей в рудном массиве Яковлевского
месторождения;
 проведение натурных наблюдений за проявлениями
горного давления в выработках на участках
тектонических нарушений и контактов руд и пород;
 разработка
геомеханической
модели
деформирования ослабленного рудного массива
вокруг горной выработки на протяженном участке и
в забое;
 обоснование параметров крепей, обеспечивающих
устойчивость горных выработок на участках
ослаблений рудного массива.
Методы исследований.
Обследование выработок на участках тектонических
нарушений и в зонах контакта руд и пород; натурные наблюдения за
вывалообразованиями по трассе выработок; лабораторные
испытания образцов руд и горных пород с целью определения
прочностных и деформационных свойств; моделирование
напряжённо-деформированного состояния ослабленного рудного
массива вокруг горной выработки методом конечных элементов.
Научная новизна работы:
 Установлено, что в нетронутом неоднородном массиве до
начала ведения горных работ в прослойках сланца
вертикальные и горизонтальные напряжения больше на
25÷30%, а для включений гидрогематитовых руд – на
4
12÷17% по сравнению со значениями этих напряжений в
однородной железнослюдково-мартитовой руде.
 Определено, что перед зоной ослабления коэффициент
концентрации тангенциальных напряжений Кσ в шелыге
свода выработки вследствие ее проходки возрастает до 1,2; в
зоне ослабления после проведения выработки Кσ снижается
до 0,8; за зоной ослабления Кσ до и после проходки
стремится к 1,0. При этом коэффициент концентрации
тангенциальных напряжений Кσ при угле встречи оси
выработки с контактом зоны ослабления в 900 равен 1,2; с
уменьшением угла встречи до 700 Кσ возрастает до 1,4.
Защищаемые научные положения:
1. При определении величины напряжений в нетронутом
рудном массиве необходимо учитывать неоднородности рудного
тела Яковлевского железорудного месторождения, а именно зоны
тектонических
нарушений,
включения
пород,
контакты
гидрогематитовых и железнослюдково-мартитовых руд.
2. Геомеханические модели неоднородного рудного массива,
вмещающего
горизонтальные
горные
выработки,
кроме
прочностных и деформационных характеристик рудного тела и
напряженного состояния нетронутого массива, должны учитывать
взаимное расположение выработки и тип неоднородности, а также
их геометрические размеры.
3. Конфигурация и размеры области предельного состояния
вокруг выработки при пересечении зоны ослабления должны
определяться на основе решения пространственной упругопластической задачи с учетом этапов развития горнопроходческих
работ.
Практическая значимость работы:
 разработана методика расчета нагрузок на крепь выработок в
зонах ослаблений рудного тела;
 определены рациональные виды и параметры крепей для
поддержания
выработок,
пройденных
на
участках
неоднородностей рудного массива;
 разработана конструкция анкерной крепи для выработок,
пройденных в зонах тектонических нарушений (заявка на патент
5
«Способ крепления горных выработок» № 2009102759,
приоритет от 28.01.2009);
 разработана конструкция анкерной крепи, позволяющая
устанавливать анкеры под разными углами к оси выработки
(заявка на патент «Способ крепления горных выработок и
устройство для его осуществления» № 2009102760, приоритет от
28.01.2009).
Достоверность и обоснованность научных положений и
рекомендаций
подтверждается
значительным
объемом
экспериментальных натурных наблюдений за состоянием крепи и
деформациями породного контура выработок, исследованием
прочностных и деформационных характеристик руд и пород на
уникальном
прессовом
оборудовании,
моделированием
напряженно-деформированного
состояния
массива
вокруг
выработок методом конечных элементов.
Апробация диссертации.
Содержание
и
основные
положения
диссертационной
работы
докладывались
на
международном
форуме
молодых
ученых
«Проблемы
недропользования» (Санкт-Петербург, 2009 г.); международной
конференции “Проблемы подземного строительства в XXI веке”
(Тульский государственный университет, Тула, 2008 г.); ежегодных
конференциях молодых ученых и студентов СПГГИ (ТУ) им. Г.В.
Плеханова «Полезные ископаемые России и их освоение» (СанктПетербург, 2008-2009 г.) и научно-техническом совете СПГГИ (ТУ).
Личный вклад автора заключается: в постановке задач
исследований, участии в проведении натурных исследований,
обработке полученных данных на ЭВМ, анализе натурных данных,
создании конечно-элементных моделей для исследования
особенностей формирования областей предельного состояния
вокруг выработок на участках неоднородностей рудного тела,
выполнении численных экспериментов и разработке практических
рекомендаций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5
печатных работ, из них 3 работы в изданиях, входящих в Перечень
ВАК Минобрнауки России.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 165 странице машинописного текста, содержит 5 глав,
6
введение и заключение, список использованной литературы из 82
наименования, 89 рисунка и 17 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В главе 1 диссертационной работы выполнен анализ горногеологических и гидрогеологических условий Яковлевского
железорудного месторождения, методов оценки устойчивости
обнажений горных выработок на участках ослаблений.
Сформулированы цель и задачи исследований.
В главе 2 приведена методика и выполнен анализ
результатов определения прочностных и деформационных
характеристик основных типов пород и руд, встречающихся при
отработке Яковлевского месторождения. Испытания образцов
горных пород выполнены при естественной влажности и при
насыщении их водой.
В главе 3 приведены результаты натурных наблюдений за
состоянием крепи и обнажений горизонтальных выработок,
пройденных в зонах ослаблений рудного тела. Определены форма и
геометрические
размеры
вывалообразований
на
участках
тектонических нарушений и на контактах различных типов руд и
пород.
В главе 4 выполнено моделирование напряженнодеформированного состояния неоднородного массива, нетронутого
горными работами, методом конечных элементов. Выполнено
обоснование и постановка пространственной задачи, учитывающей
поэтапную проходку выработки в рудном массиве через зону
ослабления.
Определены
параметры
поля
напряжений
неоднородного массива до начала ведения горных работ. Выполнена
оценка напряженно-деформированного состояния ослабленного
рудного массива вокруг горной выработки на протяженном участке
и в забое.
В главе 5 приведены результаты экспериментальных
исследований за деформированием рудного массива вокруг
выработки. Выполнено сопоставление результатов теоретических и
экспериментальных исследований. Обоснована методика расчета
нагрузок на крепь выработок на участках ослаблений рудного тела.
Даны рекомендации по выбору рациональных типов и параметров
крепи, исходя из типов встречающихся неоднородностей.
7
Основные результаты исследований отражены в следующих
защищаемых положениях:
1. При определении величины напряжений в нетронутом
рудном массиве необходимо учитывать неоднородности рудного
тела Яковлевского железорудного месторождения, а именно
зоны тектонических нарушений, включения пород, контакты
гидрогематитовых и железнослюдково-мартитовых руд.
Массив богатых железных руд (БЖР) в условиях
естественного
залегания
характеризуется
интенсивной
трещиноватостью различного генезиса, поскольку выветривания
формировались по региональным тектоническим разломам северозападного направления, то соответственно Яковлевская рудная
залежь попадают в зону развития активной тектонической
тpeщиноватости. На Яковлевском месторождении установлено
развитие ряда складчатых структур в палеозойском фундаменте, что
обычно сопровождается разрушением сплошности пород. Такие
складки довольно отчетливо прослеживаются в висячем (восточном)
борту рудного тела.
Анализируя графические данные и информацию о
особенностях строения и формирования богатых железных руд
Яковлевского месторождения, можно выделить несколько наиболее
характерных неоднородностей:
 тектонические нарушения;
 контакты руд различных типов;
 включения пород в рудный массив.
Данные неоднородности будут оказывать значительное
влияние на величину напряжений в нетронутом рудном массиве, а
также на напряженно-деформированное состояние пород вокруг
выработок.
Для выявления закономерностей изменения напряженнодеформированного состояния неоднородного массива разработана
конечно-элементная модель прогноза распределения поля
напряжений в рудном теле.
Расчетная схема конечно-элементной модели (рис. 1)
представляет собой участок массива шириной 500 м и высотой
340 м. Расчет производился на собственный вес с учетом давления
вышележащих пород Р=10 МПа. По нижней грани моделируемого
8
участка
запрещались
перемещения по оси y, а
по боковым граням - по
оси х. Сетка конечных
элементов
разбивалась
так, чтобы на границе
контакта сред размер элементов был наименьшим,
а на периферии – увеличивался. Массив моделировался изотропной линейно
деформируемой
средой. Модуль деформации
железнослюдковомартитовых
руд
Рис. 1. Расчетная схема конечно-элементной
модели.
(Е=1300 МПа) отличается
от
аналогичного
модуля
мартит-гидрогематитовой
руды
(Е=2900 МПа) приблизительно в 2 раз. В таких рудах следует
ожидать несколько большей концентрации напряжений, чем в БЖР.
Еще ярче эта картина проявится при учете в расчетах наличия
прослойков (межрудный сланец, кварцит), модуль деформации
которых почти на порядок выше (Е=3000-11300 МПа) модуля
деформации БЖР. Такие "жесткие" прослойки являются сильными
концентраторами напряжений.
Анализ результатов расчетов показывает, что вертикальные
напряжения при переходе из массива БЖР в массив мартитгидрогематитовых руд возрастают на 15-20% (с 9,5-9,7 МПа до
12 МПа) на гор. -370 м; (с 10,2-10,4 МПа до 13,0-13,2 МПа) на
гор.-425 м. Для горизонтальных напряжений увеличение происходит
на 10-13% (с 3,2-3,3 МПа до 3,7-3,9 МПа) на гор. -370 м; (с 2,62,7 МПа до 3 МПа) на гор. - 425 м. На рис. 2 и 3 показана динамика
изменения вертикальных и горизонтальных напряжений в
неоднородном рудном массиве.
Массив мартит-гидрогематитовых руд, таким образом,
является зоной повышенных напряжений по сравнению с массивом
БЖР. Значительно резче эффект концентрации напряжений
проявляется при появлении в массиве БЖР межрудного сланца.
9
Сланец, как более "жесткий" материал, накапливает вертикальные
напряжения до уровня 16 МПа на гор. -370 м; 14,2 МПа на
гор. -425 м. В распределении горизонтальных напряжений присуща
такая же картина, со значениями: 5,7 МПа на гор. -370 м; 5,3 МПа на
гор. -425 м.
Рис. 2. Распределение вертикальных напряжений в рудном теле (от лежачего к
висячему боку).
Рис. 3. Распределение горизонтальных напряжений в рудном теле (от лежачего к
висячему боку).
Если обратить внимание на эпюру распределения
горизонтальных напряжений, хорошо видно, что лежачий бок
разгружен, средняя величина напряжений составляет 2,3 МПа, что в
1,5-2 раза меньше, чем в висячем боку. Такая картина изменения
10
напряжений объясняется наличием справа мощной прослойки
мартит-гидрогематитовой руды с углом падения 65-700, а слева
массивом кварцита, которые служат защитным экраном,
концентрируя в себе избытки напряжений.
Расчеты показали, что избыток напряжений переходит в
прочные вмещающие породы и сравнимые с ними по крепости
включения. В целом неоднородный массив характеризуется
скачкообразным распределением напряжений, где пики напряжений
приходятся на более "жесткие", в сравнении с БЖР, включения.
2. Геомеханические модели неоднородного рудного
массива, вмещающего горизонтальные горные выработки, кроме
прочностных и деформационных характеристик рудного тела и
напряженного состояния нетронутого массива, должны
учитывать взаимное расположение выработки и тип
неоднородности, а также их геометрические размеры.
С целью изучения влияния нарушений на напряженнодеформированное состояние вокруг горизонтальной выработки
моделировался неоднородный рудный массив, вмещающий
одиночную выработку. Были построены объёмные конечноэлементные модели, предусматривающие проходку выработки, как
по руде, так и по зоне ослабления.
Целью математического моделирования было изучение
параметров
напряженно-деформированного
состояния
во
вмещающем массиве по характерным направлениям на контуре
выработки, а также их изменения по мере проходки выработки.
Модель представляет собой участок рудного массива
размером 50х80х40 м с выработкой сводчатого очертания,
проведение которой осуществляется заходками по 2 м (рис. 4).
Размеры модели подбирались, исходя из условия незначительности
влияния граничных условий на картину распределения напряжений
и деформаций. Зона ослабления является составной частью массива,
но с другими деформационными свойствами. Модуль деформации
рудного массива принят равным 1,3*103 МПа, в зоне ослабления –
0,3*103 МПа. Коэффициент Пуассона принят 0,37.
11
Рис. 4. Конечно-элементная модель массива пород с выработкой.
В результате расчётов были получены картины
распределения напряжений в массиве пород перед забоем выработки
вдоль ее трассы по четырем направлениям: на уровне шелыги свода,
пяты свода, середины бока выработки и по центру оси выработки.
Вертикальные напряжения по четырем направлениям в
массиве пород до зоны ослабления и в зоне ослабления приведены
на рис. 5 и рис. 6.
Рис. 5. Вертикальные напряжения в массиве пород впереди забоя перед
ослаблением: 1 – в шелыге свода; 2 – в пяте свода; 3 – в середине бока; 4 – в центе
забоя.
12
Анализ распределения вертикальных напряжений в пяте
свода и в середине бока выработки показывает, что они изменяются
аналогичным образом на всём рассматриваемом расстоянии,
незначительно отличаясь по величине, кроме участка ослабления.
В пяте свода перед забоем напряжения составляют
σв=12,28 МПа (рис. 5) и σв=9,4 МПа (рис. 6). По мере приближения к
забою напряжения меняются незначительно и имеют местный
минимум. На расстоянии 0,5R0 от плоскости забоя они достигают
значений σв=12,0 МПа (рис. 5) и σв=8,22 МПа, далее интенсивно
возрастают и в плоскости забоя равны σв=14,6 МПа (рис. 5) и
σв=12,9 МПа (рис. 6).
В верхней части
выработки (шелыге) перед забоем напряжения
близки к нулевым. Далее
напряжения увеличиваются, и на расстоянии
0,5R0 от забоя скорость
увеличения сжимающих
напряжений резко возрастает, достигая максимума в плоскости забоя
Рис. 6. Вертикальные напряжения в массиве
соответственно
пород впереди забоя на участке ослабления:
σв=14,5 МПа (рис. 5) и
1 – в шелыге свода; 2 – в пяте свода; 3 – в
σв=11,6 МПа (рис. 6).
середине бока; 4 – в центе забоя.
Для зоны ослабления
характерен участок увеличения напряжений на расстоянии 0,5R0 от
плоскости забоя вглубь массива, где σв=9,42 МПа. Далее при
удалении от забоя напряжения стремятся к фоновым значениям.
Вертикальные напряжения на уровне центра оси выработки в
плоскости забоя равны σв=10,2 МПа и σв=8,1 МПа. Далее,
монотонно возрастают, достигая на расстоянии 0,9R0 от забоя
максимума σв=12,42 МПа и σв=9,78 МПа. На расстоянии 2,5R0 от
плоскости забоя они стремятся к фоновым напряжениям.
В ходе анализа закономерностей распределения напряжений
вокруг выработки были выявлены характер изменения и численные
13
значения коэффициентов концентрации напряжений в середине бока
и в своде выработки вдоль ее трассы.
На рис. 7 приведено изменение коэффициента концентрации
горизонтальных напряжений в своде выработки.
За 5 м до зоны
ослабления средние значения равны kу=1,0 и
1,2; соответственно для
нетронутого массива и
после проходки выработки. При входе в зону
ослабления происходит
резкий спад kх до значения 0,65. В зоне ослабления коэффициенты
Рис. 7. Коэффициент концентрации
концентрации мало изгоризонтальных напряжений по трассе
меняются и в среднем
выработки: 1 – до проходки; 2 – после
равны kх=0,7 и 0,8. На
проходки.
границе зоны ослабления с рудным массивом происходит скачок до значений kх=1,4 и 1,1
соответственно. В нетронутом массиве через 1,5 м после контакта
коэффициент концентрации снижается до kх=0,9; а затем
происходит более плавное увеличение значений до уровня фоновых
напряжений.
Установлено, что на участках до 4 м, примыкающих с обеих
сторон зоны ослабления, происходит существенное изменение
напряжений на контуре выработки. Также установлен характер
распределения смещений на этом участке, поэтому при выборе
параметров крепи необходимо учитывать наличие ослаблений и
контактов в рудном массиве и расстояние до этих зон.
3. Конфигурация и размеры области предельного
состояния вокруг выработки при пересечении зоны ослабления
должны определяться на основе решения пространственной
упруго-пластической задачи с учетом этапов развития
горнопроходческих работ.
14
Сравнение развития деформации массива вокруг выработки,
измеренных в натурных условиях, с деформациями, полученными в
результате конечно-элементного моделирования, показывает их
согласие (табл. 1).
Таблица 1
Экспериментальные и расчетные данные деформирования массива
железно-слюдковой мартитовой руды вокруг выработки.
Параметры
Площадь сечения
в свету/ в проходке, м2
Размеры зоны деформации
выработки, м
лежачий бок
кровля
висячий бок
Экспериментальные
Расчетные
11,2 / 14,3
11,2 / 14,3
2,6 – 2,7
2,2 – 2,4
2,8 – 3,0
2,3 – 2,6
2,0 – 2,2
2,3 – 2,6
вокруг
Для выявления параметров области разрушения массива
вокруг выработки было произведено обследование и анализ
вывалообразований, произошедших в период проведения горных
выработок.
Рис. 8 Схема вывалообразования в откаточном орте №7, горизонт -425м.
15
На рис. 8. приведена схема вывалообразования в рыхлых
рудах на участке с тектоническим нарушением, представленным
трещинами северо-западного простирания с углом падения 700.
Наибольшая высота свода обрушения от уровня крепи составляет
4,0 м, протяженность вывала равна 3,5 м.
Анализ натурных данных позволил установить, что в зонах
ослаблений основные разрушения массива происходят в кровле с
незначительным переходом в бока выработки.
На рис. 9 приведена пространственная конфигурация
области предельного состояния вокруг орта сводчатой формы, при
пересечении крутопадающего ослабления, полученного из решения
пространственной упруго-пластической задачи.
Рис. 9. Пространственная конфигурация области предельного состояния в кровле и
боках выработки при пересечении зоны ослабления: 1 – в однородном рудном
массиве; 2 – в переходной зоне; 3 – в зоне ослабления.
16
Активный рост размеров области предельного состояния
начинается за 4 м до нарушения. На сечении №1 представлена
область предельного состояния вокруг выработки, пройденной по
однородному рудному массиву. В зоне ослабления (сечение №3)
наблюдается наибольший рост области предельного состояния в
сводовой части выработки, которая достигает значений 3,8 м, что на
0,8 м больше, чем в сечении №2. В боку этот рост менее активен –
3,0 м, что на 0,2 м больше по сравнению с предыдущим сечением.
На основе решения пространственной задачи была построена
зависимость отношения высоты свода обрушения hс к ширине
выработки В и вертикальной нагрузки на крепь Р от расположения
зоны ослабления по трассе выработки (рис. 10). Из графика видно,
что максимальная величина hс/В и Р находятся в зоне ослабления, а
также на контакте под углом 700 к оси выработки при выходе из
этой зоны. Перед зоной ослабления интенсивный рост hс/В
начинается за 4 м и протекает линейно вплоть до границы с ней. При
пересечении контакта, расположенного под углом 700 к оси
выработки, hс/В от значения 0,95 уменьшается до 0,49 на расстоянии
3,5 м от границы с зоной ослабления.
Рис. 10. Зависимость отношения высоты свода обрушения к ширине выработки от
расположения зоны ослабления по трассе выработки.
17
С использованием представленной на рис. 10 зависимости,
выполнены расчеты параметров крепи выработок в рудном массиве
Яковлевского месторождения. Установлено, что для обеспечения
устойчивости ортов в зонах ослабления достаточно использовать
крепь КМП-А3 из СВП-27 с шагом арок 0,5 м, а на переходных
участках протяженностью 4 м до и после ослабления – с
переменным шагом арок от 0,5 м до 1,0 м.
На участках контактов различных типов руд и пород
предлагается опережающая крепь с закладными анкерами в кровле,
в комбинации с поддерживающей металлической арочной
податливой крепью типа КМП-АЗ из СВП-22 с шагом арок от 0,75 м
до 1,0 м.
На участках тектонических нарушений предлагается
анкерная крепь с подхватами и металлической сеткой по кровле и
бокам выработки и крепь КМП-АЗ из СВП-27 с шагом арок от 0,5 м
до 0,75 м. На участках значительного водопритока необходимо
использовать опережающую крепь с закладными анкерами в кровле
выработки и крепь КМП-АЗ из СВП-27 с шагом арок 0,5 м.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертация представляет собой законченную научноквалификационную работу, в которой содержится решение
актуальной задачи геомеханического обоснования устойчивости
горизонтальных выработок в зонах ослаблений рудного массива,
имеющей большое значение для горнорудной промышленности.
Основные результаты выполненных исследований:
1. Рудная залежь характеризуется сложным строением,
характерной особенностью которого является чередование руд,
имеющих
различный
минеральный
состав
и
сложную
пространственную геометрию. Выделяются несколько наиболее
характерных неоднородностей: тектонические нарушения; контакты
руд различных типов (железнослюдково-мартитовые и мартитгидрогематитовые руды) и включения пород (межрудный сланец,
кварцит) в рудный массив. Указанные неоднородности оказывают
влияние на распределение напряжений в нетронутом рудном
массиве и вокруг выработок.
18
2. Разработана пространственная геомеханическая модель
прогноза напряжённо-деформированного состояния неоднородного
массива при проведении горной выработки, учитывающая
прочностные и деформационные характеристики рудного тела,
напряженное
состояние
нетронутого
массива,
взаимное
расположение выработки и зоны ослабления, а также их
геометрические размеры.
3. Установлены закономерности изменения и численные
значения коэффициентов концентрации напряжений на контуре
выработки вдоль ее трассы. Перед зоной ослабления коэффициент
концентрации тангенциальных напряжений Кσ в шелыге свода
выработки, вследствие ее проходки, возрастает до 1,2; в зоне
ослабления после проведения выработки Кσ снижается до 0,8; за
зоной ослабления Кσ до и после проходки стремится к 1,0.
Коэффициент концентрации тангенциальных напряжений Кσ при
угле встречи оси выработки с контактом зоны ослабления в 900
равен 1,2; с уменьшением угла встречи до 700 Кσ возрастает до 1,4.
4. На основе решения пространственной упругопластической задачи установлены особенности деформирования и
зависимости смещений рудного массива вокруг горной выработки
при пересечении зоны ослабления. Активный рост размеров области
предельного состояния начинается за 4 м до нарушения.
Наибольшие размеры области предельного состояния наблюдаются
в сводовой части выработки в зоне ослабления и их величина по
сравнению со значениями в однородном рудном массиве больше в
1,8 раза.
5. Получены зависимости для определения высоты свода
обрушения с учетом проходки выработки через зону ослабления,
предложен метод расчета величины вертикальной нагрузки на
поддерживающую крепь в зоне ослабления, основанный на
натурных наблюдениях за вывалообразованием и результатах
моделирования с использованием пространственной упругопластической модели.
6. Разработаны рекомендации по выбору параметров
поддерживающих
крепей
для
обеспечения
устойчивости
горизонтальных выработок в зонах ослаблений, на контактах руд и
пород различных типов и на участках тектонических нарушений.
19
ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ
СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:
1.
Попов М.Г. Исследование напряженно-деформируемого состояния пород вокруг выработки в массиве с тектоническим
нарушением // Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и
решения: Труды 6-ой Межрегиональной научно-практической
конференции 9-11 апреля 2008 г., Филиал СПГГИ (ТУ)
«Воркутинский горный институт», Воркута 2008 г., Т.1, с. 67-70;
2.
Попов М.Г.
Оценка
полей
напряжений
в
неоднородном массиве вокруг выработки при штрековой и ортовой
подготовке / Петров Д.Н., Попов М.Г.// Известия Тульского
государственного университета. Естественные науки, серия: «Науки
о Земле», Тула 2008 г., выпуск 3, с. 111-113;
3.
Попов М.Г. Исследование напряженно-деформируемого состояния вокруг выработки в неоднородном массиве //
Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и решения:
Труды 7-ой Межрегиональной научно-практической конференции
8-10 апреля 2009 г., Филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный
институт», Воркута 2009 г., Т.1, с. 146-150;
4.
Попов М.Г. Исследование устойчивости горных
выработок при проходке в условиях Яковлевского рудника //
Известия Тульского государственного университета. Естественные
науки, серия: «Науки о Земле», Тула 2009 г., выпуск 4, с. 149-152;
5.
Попов М.Г.
Оценка
напряженного
состояния
нетронутого горными работами неоднородного рудного массива /
Протосеня А.Г., Попов М.Г.// Известия высших учебных заведений.
Горный журнал, Екатеринбург 2009 г., №6, с. 36-40.
20