Геомеханические основы технологии разработки мощных пологих залежей полиметаллических руд системами с твердеющей закладкой выработанного пространства

Актуальность темы

К основным тенденциям, определяющим современное состояние вопроса разработки мощных пологопадающих залежей высокоценных руд, относят увеличение глубины ведения горных работ и усложнение условий залегания рудных тел. Вследствие этого, эффективная деятельность горнодобывающих предприятий во многом определяется выбором технологий ведения горных работ и направлений их совершенствования с учетом реальных геомеханических процессов, происходящих в массиве горных пород.

Основой эффективной работы горного предприятия являются также правильное определение и максимально продолжительное поддержание производственной мощности, зависящей, в свою очередь, от производительности принятой системы разработки и надежности резервирования последней. Как завышенный, так и заниженный коэффициенты резерва становятся причиной существенного экономического ущерба.

Несмотря на многообразие существующих методических подходов при определении коэффициентов резерва, принимаемые их значения лежат, как правило, в довольно узком диапазоне, ограниченном первыми десятками процентов, что далеко не всегда отражает реально складывающуюся ситуацию.

Так, в практике сплошной выемки мощных пологих рудных залежей очистной забой по мере подвигания последовательно перемещается из одних геотехнологических зон в другие. При подобных переходах происходит вынужденная смена варианта системы разработки, при которой темпы очистной выемки могут снижаться до 3 и более раз на периоды до нескольких лет, что значительно превос.

— 7 ходит потери, учитываемые известными понижающими коэффициентами. С уменьшением размеров геотехнологических зон резко возрастает неравномерность добычи полезного ископаемого, также приводящая к отрицательным экономическим последствиям.

Повысить надежность предварительного определения производительности добычи в таких условиях построением планограмм ведения горных работ не представляется возможным, поскольку весьма низка точность прогнозирования местоположения геотехнологических зон на основании геологических данных детальной разведки с поверхности. Более того, является проблематичным и собственно разделение шахтного поля на геотехнологические зоны, имеющие размеры, намного меньшие, чем расстояние между разведочными скважинами.

Проблема повышения надежности резервирования технологии при периодической ее смене, а также совершенствования систем разработки с целью интенсификации очистной выемки мощных пологих рудных залежей при последовательном чередовании геотехнологических зон, способствующей стабилизации добываемых объемов, весьма актуальна, имеет важное научное и народнохозяйственное значение и до настоящего времени оставалась вне поля зрения исследователей.

Основные результаты диссертационной работы получены автором при проведении научно-исследовательских работ в период 1974;1996 г. г. по темам, входящим в состав отраслевого плана развития науки и техники Министерства Металлургии России (МП-22.2, МП-22.01.06, МП-22.1.4, МП-17г.01.07), а также плана и хоздоговорной тематики НИОКР НГМК (х/д 455−13, 724−20,636−21, 18−13, 456−21, 99−75), выполняемым институтами ИГД СО РАН, ИПК0Н.

РАН, ВНИМИ, Гипроникель, КузГТУ совместно с ГМОИЦ ЗФ ОАО «Норильская горная компания» .

Цель работы заключается в развитии геомеханических основ технологии разработки мощных пологих залежей полиметаллических руд на основе открытия явления зональной дезинтеграции, в повышении надежности прогнозирования производительности добычи, в разработке способов ведения горных работ, способствующих стабилизации добываемых объемов в условиях периодической смены технологических схем сплошной выемки полезных ископаемых системами с твердеющей закладкой .

Идея работы — в установлении закономерностей формирования зон дезинтеграции горных пород вокруг выработанного пространства, взаимодействия породных, рудных и закладочных массивов при увеличении пролетов отработки мощных пологих залежей и использовании этих закономерностей в прогнозировании параметров геотехнологических зон для выбора направлений совершенствования технологии ведения горных работ при переходе с одного варианта системы разработки на другой.

Задачи исследований:

— исследовать динамику производительности добычи при последовательном пересечении очистным фронтом технологических зон;

— определить значения исходных величин для расчета параметров зональной дезинтеграции вокруг выработанных пространств;

— установить закономерности деформирования породного и закладочного массивов при увеличении пролетов отработки полезного ископаемого;

— разработать и внедрить варианты выемки полезного ископаемого, а также практические рекомендации по ведению горных работ в условиях последовательного чередования геотехнологических зон;

— повысить надежность предварительного определения производительности добычи руды с увеличением глубины разработки .

Методы исследований включают анализ источников научно-технической информации по тематике работы и технологических показателей разработки, постановку и проведение теоретических и экспериментальных исследований методами математического и физического моделирования, геофизического каротажа, геометрического нивелирования, глубинных и контурных реперов, разгрузки торца скважины, промышленной апробации предложенных вариантов ведения горных работ.

Основные научные положения, защищаемые автором:

— при ведении очистных работ на глубоких горизонтах рудников и вынужденном переходе в зоне дезинтеграции от варианта сплошной слоевой системы разработки с комбинированным порядком выемки слоев и твердеющей закладкой выработанного пространства на нисходящую слоевую выемку производительность добычи руды снижается;

— параметры концентрических зон дезинтеграции породного массива вокруг выработанных пространств, формирующихся с опережением очистного фронта, определяются пролетом отработки и поперечными размерами тектонических блоков;

— в твердеющем закладочном массиве подработанные очистным фронтом зоны дезинтеграции «восстанавливаются», между ними формируются ячеистые структуры с пассивным ядром и активной оболочкой, воспринимающей часть веса подработанных пород, передающуюся на закладочный массив;

— увеличение скорости подвигания фронта выемки защитного перекрытия обеспечивается формированием в его плоскости временных разгруженных целиков с шириной, кратной ширине выемочной ленты, отрабатываемых очистными работамис ростом глубины разработки интенсификация очистных работ в зоне дезинтеграции за счет сохранения восходящего порядка выемки основных слоев в надработанном рудном массиве достигается формированием рудо-бетонной кровли очистных выработок путем смещения последних в плане или предварительной проходкой и закладкой нарезной выработки;

— оценку условий ведения горных работ, обоснование технологии разработки, производительности очистных работ, мест заложения капитальных и подготовительных выработок в рудном, породном и закладочном массивах следует вести с учетом явления зональной дезинтеграции горных массивов в масштабе шахтных полей и параметров опорных ячеистых структур в массиве твердеющей закладки.

Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций обеспечивается достаточным объемом и сходимостью результатов теоретических, лабораторных и натурных исследований, положительными результатами внедрения предложенных способов ведения горных работ на рудниках Норильского промышленного района.

Научная новизна работы заключается в следующем: установлены количественные показатели снижения темпов очистных работ при пересечении геотехнологических зон фронтом отработки;

— и.

— определены значения исходных параметров для расчета и построения зон дезинтеграции вокруг выработанного пространства, экспериментально доказано существование зон дезинтеграции в налегающих и подстилающих породах, рудном и закладочном массивах;

— выявлены особенности реакции закладочного массива при его последовательном нагружении своеобразными «штампами» — участками налегающих и подстилающих пород, оконтуренных зонами дезинтеграции, заключающиеся в формировании опорных ячеистых структур, повышающих его несущую способность ;

— разработан способ повышения разгрузочного эффекта естественной или сформированной бурением скважин ослабляющей плоскости во временном целике увеличением горного давления за счет расширения передовой секции защитного слоя, оконтуривающей целик;

— обоснована ширина рудной части рудо-бетонной кровли очистной выработки, не превышающая 8-кратного среднего поперечного размера слагающих ее структурных блоков, обеспечивающая устойчивое состояние горизонтального обнажения;

— установлена «критическая» глубина разработки, после превышения которой относительное количество разрушений различных видов крепей капитальных и подготовительных выработок, расположенных в зонах дезинтеграции породного массива увеличивается в 2 раза, а зоны дезинтеграции, параметры которых поддаются расчету, определяют технологическую зональность, что позволяет повысить достоверность прогноза производительности очистных работ. С учетом параметров зональной дезинтеграции породных массивов закладочныи массив районируется по условиям поддержания подготовительных выработок.

Личный вклад автора состоит в обобщении известных результатов, постановке проблемы и задач исследований, разработке и реализации методик экспериментальных работ по определению факторов, обусловливающих закономерности изменения производительности добычи руды при последовательной отработке выделенных типов технологических зон, параметры зон дезинтеграции в окрестности выработанных пространств и в закладочном массиве, устойчивость обнажений блочных массивов, обработке и анализе результатов, выборе направления совершенствования технологии, разработке, определении параметров и реализации в промышленных масштабах новых вариантов ведения горных работ, а также рекомендаций по учету зональной дезинтеграции в различных аспектах горного производства .

Практическая ценность. Результаты исследований позволяют на выемочном участке, планируемом к отработке, прогнозно определить количество и местоположение зон дезинтеграции, выбрать эффективные варианты систем разработки для зон с наведенной трещиноватостью и без наличия таковой, путем построения планограмм горных работ с достаточной надежностью выполнить расчет проектной производительности добычи, заблаговременно разработать меры по интенсификации горных работ при последовательном переходе с одного варианта системы разработки на другой, выявить области породного и искусственного массивов, в которых горные выработки потребуют усиленного крепления или проведения специальных мероприятий по обеспечению устойчивости.

Реализация работы в промышленности. Полученные результаты вошли составной частью в нормативно-методические документы, регламентирующие диагностику напряженно-деформированного состояния массива горных пород, проектирование и ведение горных работ на рудниках ЗФ ОАО «Норильская горная компания»: «Методическое руководство по оценке напряженного состояния, трещиноватости и степени ударо-опасности массивов сплошных сульфидных руд комплексным электрометрическим методом», 1978 г.- «Руководство по применению электрометрического метода оценки нарушенности вы-сокопроводящих пород», 1979 г.- «Указания по безопасному ведению горных работ на Талнахском и Октябрьском месторождениях, склонных к горным ударам», 1990 г.- «Методические указания по управлению горным давлением при сплошной системе разработки с твердеющей закладкой на рудниках Норильского ГМК», 1987 г.- «Технологическую инструкцию по применению сплошной системы разработки с нисходящим и комбинированным порядками выемки слоев с закладкой твердеющими материалами при выемке сплошных сульфидных руд на рудниках Норильского ГМК», 1986 г.- «Технологическую инструкцию по применению системы этажного принудительного обрушения с двухстадийной и одностадийной выемкой вкрапленных руд на руднике «Заполярный», 1987 г.- «Временную технологическую инструкцию по разработке сплошных сульфидных руд слоевыми и камерными системами с использованием дистанционно-управляемых погрузочно-транспортных машин на рудниках НГМК», 1988 г.- «Технологическую инструкцию по применению системы разработки слоями снизу вверх с твердеющей закладкой и использованием самоходного оборудования при выемке сплошных сульфидных и «медистых» руд на руднике «Комсомольский», 1989 г.- «Технологическую инструкцию по применению сплошных камерных систем разработки с твердеющей закладкой для выемки вкрапленных руд на руднике «Маяк», 1989 г.- «Технологическую инструкцию по применению слоевой восходящей выемки руды по восстанию залежи на руднике «Таймырский», 198 9 г.- «Технологическую инструкцию по применению сплошной системы разработки с нисходящим порядком выемки слоев и закладкой твердеющими материалами при выемке вкрапленных руд на руднике «Маяк» Норильского ГМК, 1993 г.

Разработанные технические решения защищены авторскими свидетельствами на изобретения и внедрены на рудниках: а.с. 1 350 350 («Октябрьский», «Таймырский» — в 1987;1991 г. г.) — а.с. 1 006 753 («Маяк», «Комсомольский», «Октябрьский» — в 1987;1991 г. г.) — а.с. 1 514 934 («Октябрьский» — в 1988;1992 г. г.) — а.с. 1 492 055 («Заполярный» — в 1989;1992 г. г.) — а.с. 1 456 571 («Октябрьский» — в 1990;1992 г. г.) — а.с. 1 672 106 («Маяк», «Октябрьский» — в 1990;1992 г. г.). В течение указанных выше периодов с использованием изобретений выполнена разгрузка удароопасных рудных залежей от повы2 шенных напряжений на площади более 110 тыс. м, что позволило создать защищенную зону для выемки 2,5 млн. т руды, осуществить добычу порядка 7 млн. т полезных ископаемых, обеспечить охрану около 2 км параллельных фронту отработки подготовительных выработок в зоне опорного давления вплоть до их погашения. Суммарный экономический эффект от внедрения изобретений в ценах до 1991 г. превысил 12 млн. рублей .

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всесоюзных семинарах по проблемам измерения напряжений в массиве горных пород (1977, 1979, 1984 г. г., г. Новосибирск), на Всесоюзной конференции по механике горных пород (1978 г., г. Фрунзе), на международной конференции по механике горных пород (1993 г., г. Москва), на заседаниях горной секции НТС Норильского горнометаллургического комбината (1978, 1983, 1999 г. г., г. Норильск), на научных семинарах в Институте горного дела СО РАН (1981, 1983, 1996 г. г., г. Новосибирск).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 42-х печатных работах, включая одну монографию и 7 авторских свидетельств на изобретения.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и приложения, изложенных на 284 с. машинописного текста, включая 17 таблиц, а также содержит 108 рис. и список литературы из 197 наименований.

6.6. Выводы.

1. Уменьшение высоты обрушаемого слоя при отрезке налегающих пород крупными блоками с 1 — 2/3 до ½ мощности рудного тела практически не меняет установившегося режима обрушения.

2. Отбойка верхнего подэтажа с опережением на 1−2 ленты с одновременным уменьшением шага обрушения позволяет обеспечить устойчивость призабойного рудного массива и подготовительных выработок в угловых частях.

3. При увеличении ширины выемочной полосы с 45 до 60 м величина среднеквадратичного отклонения удельной (на единицу длины очистного фронта) производительности добычи снижается в 1,5 раза.

4. Уменьшение угла наклона рудной стенки от 68 до 46 градусов приводит к более, чем двухкратному снижению максимальных сжимающих напряжений на нижней части забоя.

5. Наличие подпора призабойного массива целиками вторичных камер позволяет в 2 раза снизить величину вертикальных дополнительных деформаций на контуре подготовительной выработки, что способствует повышению устойчивости последней. При опережении выемки первичных камер более, чем на 2 ленты, величины напряжений и деформаций в призабойном рудном массиве стабилизируются.

6. В случае формирования в плоскости защитного слоя временных целиков шириной 8 м напряжения в последних превышают критические при увеличении пролета более 80 — 100 м. До указанных пролетов разгрузочных мероприятий в целиках можно не производить .

7. Разгружающий эффект тектонических нарушений можно реализовать в большем, чем предполагалось ранее, диапазоне углов их падения (до 45°). Для этого необходимо увеличить ширину секций перекрытия в крыльях нарушения, а при преобладании в разрабатываемом массиве горизонтальных сжатий, произвести дополнительную разгрузку от горизонтальных напряжений. Характерно, что в натурных условиях разгрузка достигается при меньшей ширине секций перекрытия, чем в модели.

8. Удовлетворительная устойчивость очистных выработок при расположении защитного слоя по почве рудной залежи достигается при заполнении его закладкой марки не менее М 60. Опережение защитным слоем очистной выработки должно составлять не менее 16 при слоевой и не менее 32 м при камерной системе разработки.

9. Формирование комбинированной кровли улучшает состояние контура выработки по фактору напряжений, если в массиве преоб.

— 337 ладают вертикальные сжатия, и практически не меняет картину полей напряжений при наличии защитного слоя. В последнем случае определяющее влияние на устойчивость рудного уступа оказывает структура горных пород. В соответствии с выполненными оценками, при ширине рудного уступа 4 м его устойчивость не будет обеспечена (потребуется дополнительное крепление) примерно в 3% случаев. Устойчивость рудного уступа 3,2 м и менее обеспечивается без принятия дополнительных профилактических мер.

10. Использование предложенного способа охраны горной выработки позволяет обеспечить ее устойчивость при существующем уровне опорных нагрузок.

11. Промышленная апробация предложенных вариантов ведения горных работ позволила подтвердить их приемлемость в условиях Норильских месторождений.

— 338.

7. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЕДЕНИЮ ГОРНЫХ РАБОТ В УСЛОВИЯХ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЗОНАЛЬНОСТИ.

Рассмотрим некоторые прикладные аспекты выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований, касающегося особенностей геомеханических процессов вокруг подземных полостей при отработке пластовых рудных залежей. Здесь достаточно очевиден выход как на решение определенного круга собственно геомеханических проблем, так и на решение задач технологического плана, связанных с освоением больших глубин.

В рамках диссертационной работы невозможно детально рассмотреть методологию решения всех практических приложений, каждое из которых может являться в перспективе предметом самостоятельного изучения. Поэтому считаем необходимым более подробно остановиться на собственно перечне важнейших практических результатов, обозначив схематично основные этапы и последовательность реализации каждого из направлений.

Учитывая результаты моделирования и их удовлетворительную сходимость с данными натурных экспериментов, можно полагать, что выявленные геомеханические процессы обладают более универсальным характером, чем это отражено на примере рудников Тал-нахско-Октябрьского месторождения, и свойственны, если и не для всех, то, по крайней мере, для большинства ситуаций, связанных с отработкой твердых полезных ископаемых на больших глубинах.

7.1. Прогноз геотехнических условий отработки рудной залежи.

Определяющая роль явления зональной дезинтеграции породного и рудного массивов в формировании геомеханической обстановки в масштабах рудного поля, в том числе в закладочных массивах, должна находить свое отражение при принятии технологических решений на стадии проектирования и ведения горных работ, а также в структуре геомеханических наблюдений, осуществляемых на рудниках Талнахско-Октябрьского месторождения: как с применением «статических» или квазистационарных методов, так и системы шахтных сейсмологических наблюдений.

В основу геомеханического прогноза положен расчет параметров дезинтеграции горных пород в соответствии с формулами (1.1, 1.2). При известных параметрах структурно-тектонических блоков за диаметр технологически значимой «нулевой» полости принимается утроенная ширина блока в направлении подвигания очистного фронта. Получаемые значения диаметров концентрических зон дезинтеграции корректируются в сторону величины, кратной ширине структурно-тектонического блока по аналогии с главой 3. При неизвестных параметрах блочности породного массива за диаметр «нулевой» полости может быть принят предельный пролет налегающей толщи пород, после превышения которого начинается их устойчивое смещение. При производстве расчетов по обоим вариантам для конкретных участков шахтных полей следует учитывать корректирующее влияние на параметры формируемой зональности крупноамплитудных тектонических нарушений.

В результате выполненных расчетов рудное тело прогнозно.

— 340.

разделяется на геотехнологические зоны. Этим обеспечивается возможность существенного сокращения периода выбора эффективной технологии для каждого типа зон, целенаправленного изучения особенностей выемки руды в «нарушенном» и «ненарушенном» рудном массиве, заблаговременной разработки мер по интенсификации очистных работ при переходе с одного варианта отработки на другой (либо при переходе очистного фронта в смежную геотехнологическую зону без изменения варианта отработки), определения предельной глубины ведения горных работ, после превышения которой возникает потребность смены технологии в окрестности границ геотехнологических зон. Весьма важно то, что появляется возможность производить все изменения технологии своевременно.

Поскольку основными параметрами, характеризующими эффект дезинтеграции горных пород, являются временной и масштабный факторы, то изучению именно этих характеристик должно быть уделено особое внимание на стадии разработки и реализации структурной схемы геомеханических наблюдений. Если масштабный фактор в достаточной мере известен и может уже использоваться в прогнозных оценках местоположения и размеров зон дезинтеграции, то временной фактор, который определяет начало, длительность и интервалы следования процесса зонообразования, необходимо изучать в натурных условиях целенаправленно.

В этом смысле базовую информацию позволит дать внедренная на рудниках Норильского ГМК система непрерывного контроля за сейсмической активностью горных массивов. Совершенно ясно, что структура «зонообразования» вокруг отрабатываемого рудного пласта, связанная с процессом трещинообразования в глубине массивов, может являть собой ту априорную геомеханическую информацию, которая должна быть вполне определенным образом использована на стадии интерпретации сейсмических данных, ибо указывает ожидаемые пространственно-временные области группирования регистрируемых сейсмоакустических импульсов или толчков внутри горного массива.

Ранее проведенными исследованиями было установлено, что наиболее масштабные в условиях Талнахско-Октябрьского месторождения динамические формы проявления горного давления связаны именно с периодом формирования зон дезинтеграции вокруг подземных полостей [57]. Поэтому выявление характерных стадий развития горных работ, сопровождающихся трещинообразованием вокруг выработанного пространства, позволит получить эффективный диагностический критерий удароопасности по месту и времени проявления возможных динамических разрушений в горных выработках.

Сложность поддержания подготовительных выработок впереди фронта очистных работ с увеличением глубины и пролета отработки выдвигает в ряд перспективных идею расположения транспортных и вентиляционных сетей в закладочном массиве. В этой связи, для выбора способов и параметров крепления горных выработок важно знание величины действующих в закладке максимальных напряжений. Прогнозная оценка геомеханических условий эксплуатации горных выработок в закладочном массиве может осуществляться по нижеприведенной методике методике [119].

Экспериментальные исследования ультразвуковым и радиометрическим методами в слоевом орте 7/4 рудника «Комсомольский» позволяют заключить о том, что критерием передачи нагрузок от налегающих пород на закладочный массив может явиться наличие вокруг пройденной выработки эффекта зональной дезинтеграции.

— 342.

В работе [ 152 ] установлена эмпирическая зависимость на основании исследований на моделях из эквивалентных материалов и подтвержденная замерами в натурных условиях на рудниках Тал-нахско-Октябрьского месторождения для незакрепленных выработок, пройденных в рудных массивах и вмещающих породах: б.

1 = г [ В 1п (А — - 1 ], (7.1).

Ко где 1 — расстояние от контура выработки до наиболее удаленной зоны дезинтеграции, м-б — максимальные действующие напряжения в нетронутом массиве, МПа- - прочность массива на одноосное сжатие, МПаг — радиус выработки, мА и В — экспериментальные константы.

Потенцируя формулу (7.1) относительно напряжений <1, имеем оценку:

1 + г б = а И0 ехр { Р — }, (7.2) г где (X =1/А- |3 =1/В, которые можно использовать, очевидно, как самостоятельные константы породного или закладочного массива.

Для выбора параметров (X и (3 в случае закладочного массива будем исходить из следующих положений. Во-первых, ОС и |3 не являются независимыми величинами и соотношение между ними определяется геомеханическим условием, что начало формирования при-контурной зоны трещиноватости в массиве происходит при напряжениях, равных пределу прочности пород на растяжение Ир (это положение находится в соответствии с теоретической схемой, объясняющей явление зональной дезинтеграции, изложенной в [ 122 ]). Отсюда следует, что при.

— Р.

1 = 0 б =, то есть ОС = е. (7.3).

Подставляя (7.3) в (7.2), инеем: 1.

Р г б = Ир е (1 > О) (7.4).

6.4).

Во-вторых, если в соответствии с [ 152,153 ] взять коэффициент = 0,75 = ¾ и вместо г ввести диаметр выработки с1, то формулу (7.4) можно переписать в виде:

3 1.

2 а б = ИР е (7.5).

Воспользуемся этой формулой для независимой оценки возможного уровня напряжений, которые привели к развитию процесса зональной дезинтеграции закладочного массива вокруг выработкислоевого орта 7/4 согласно экспериментальным геофизическим данным ультразвукового и радиометрического каротажа (рис. 4.2 -4.4).Предел прочности закладочного массива на сжатие и растяжение для данных условий оценивается соответственно в 60 кг/см2 и.

5 кг/см2, то есть б МПа и 0,5 МПа. Из рис. 4.2 следует, что удаленная зона дезинтеграции находится в среднем на расстоянии 5−6 мдиаметр выработки равен <3 = 3,2 м. Подставляя соответствующие значения параметров в (7.5), имеем: б =4,8 МПа при 1 = 5 м,.

— 344 б = 7,9 МПа при 1 = б м.

По оценкам ВНИМИ напряжения в закладочном массиве для данных условий лежат в пределах (0,4−0,6) ^ Н. Для рудника «Комсомольский» у Н =16−22 МПа. Следовательно, изменение напряжений в закладочном массиве оценивается в пределах от 8,4- 8,8 МПа до 9,6−13,2 МПа.

По данным прессиометрических измерений В. К. Федоренко напряжения в закладочном массиве для этих же условий оцениваются согласно [ 37 ] в 7−8 МПа.

Сравнение приведенных нами оценок показывает достаточную их близость, особенно с прессиометрическими измерениями, что заставляет более внимательно посмотреть на формулу (7.5) с позиций определения Ир — предела прочности закладочного массива на растяжение при известных параметрах б и 1/6.:

3 1.

2 а б е (7.6).

Это соотношение представляет существенный практический интерес, поскольку позволяет подойти к решению проблемы влияния масштабного фактора на эффективные упруго-прочностные модули породных и искусственных массивов. В частности, если ввести понятие параметра прочностной анизотропии 3 € 0 массива в виде коэффициента линейной регрессии для связи между пределами прочности пород на одноосное сжатие и растяжение, то есть.

Ир = эе о и0, (7.7).

— 345 то, согласно (7.6) и (7.7), его можно определять по формуле:

3 1 б 2 й эе 0 = - е (7.8).

Ко.

Здесь б определяется соответствующими натурными измерениями, а — в лабораторных испытаниях образцов.

Таким образом, имеем достаточно простой метод оценки действовавших в «нетронутом» закладочном массиве максимальных напряжений в месте проходки выработки на основании данных о прочности образцов на растяжение, диаметра выработки и расстояния до самой удаленной зоны дезинтеграции, определяемого по данным геофизического каротажа. Имея соответствующую информацию в течение времени существования выработки, очевидно, таким же способом можно оценивать максимальные нагрузки, испытываемые закладочным массивом по мере увеличения пролета подрабатываемой толщи пород.

В следующем параграфе остановимся более подробно на районировании по условиям поддержания подготовительных выработок закладочных массивов.

7.2. Выбор мест расположения и обеспечение устойчивости подготовительных выработок.

Из результатов, приведенных в п. 3.5, с достаточной очевидностью следует, что весьма эффективным средством для обеспечения устойчивости горных выработок вокруг выработанного прост.

— 346 ранства является выбор мест их расположения с учетом параметров зональной дезинтеграции горных пород. Как следует из приведенных результатов, расположение выработок вне зон дезинтеграции позволяет снизить в несколько раз количество случаев разрушения крепи и перехода их контура в аварийное состояние. Реализация указанного резерва должна осуществляться на стадии проектирования путем предварительных расчетов параметров зон дезинтеграции вокруг выработанного пространства по вышеописанным методикам.

Проявление эффекта зональной дезинтеграции горных пород вокруг выработок в закладочном и рудном массивах или во вмещающих породах в условиях больших глубин позволяет предложить также способ выбора оптимальной формы сечения соответствующих выработок с учетом их ориентации относительно поля действующих напряжений.

Действительно, ориентация трещин в глубине массива, образующих собой зоны дезинтеграции, обеспечивает минимум потенциальной (упругой) энергии, которая концентрируется вокруг подземной выработки в результате ее проходки. Следовательно, для заданного направления подземной выработки и соответствующих ему геомеханических условий (структурная неоднородность, анизотропия свойств, тензор напряжений и т. п.) в качестве оптимального сечения выработки можно рассматривать области, геометрически подобные тем, что заключены внутри зон дезинтеграции. Таким образом, можно предложить следующую последовательность легко реализуемых операций, позволяющих достигнуть поставленную цель [119]: 1) выбор типовых направлений выработок в пределах шахтного поля- 2) проходка коротких опытных выработок с паспортом буровзрывных работ, ориентированным на их круговые сечения- 3) бурение вееров разнонаправленных скважин (рис. 7.1) глубиной до 10 м- 4) геофизический каротаж и 5) интерпретация соответствующих данных с целью построения геометрических параметров зон дезинтеграции. Методика геомеханической интерпретации геофизической информации для данных целей достаточно полно разработана в [ 154 ]. Заключительным этапом является приведение поперечного сечения горной выработки к форме, подобной конфигурации дезин-теграционных зон, путем соответствующей корректировки паспорта буро-взрывных работ.

Для выработок, расположенных в закладке, удаленные от контура выработки зоны дезинтеграции в известном смысле будут выполнять роль дренажных зон ячеистых структур закладочного массива. Следовательно, для повышения устойчивости выработок, пройденных в закладке можно воспользоваться идеей упрочнения естественного несущего кольца закладки между приконтурной ослабленной зоной и первой зоной дезинтеграции в глубине массива, удаленной от контура выработки на 1,5−3 м.

Этого можно достигнуть набрызг-бетоном в сочетании с использованием анкеров длиной 1,5−3 м и предварительного «сшивания» несущего кольца с последующей ненарушенной зоной путем нагнетания пластической твердеющей смеси, которая одновременно будет выполнять роль гидроизолирующей оболочки и экранирующей поверхности для сейсмических волн от динамических воздействий (взрывов). В экстремальных по напряжениям условиях следует пользоваться также металлической сеткой в сочетании с набрызг-бетоном, обладающим пластическими свойствами. В этом отношении следовало бы уделить особое внимание вопросу приготовления бетона с добавками пластификатора — придающего необходимые.

— 349 гидроизолирующие и пластические свойства бетону «спецназначения» .

Очевидно, в более «тяжелых» геомеханических условиях изложенная идея может быть распространена и на другие, более удаленные зоны дезинтеграции закладочного массива при условии использования разреженной сетки более глубоких податливых анкеров, длина которых определяется удалением от контура выработки последующих зон дезинтеграции [ 152 ].

Согласно действующим «Методическим указаниям по управлению горным давлением при сплошных системах разработки с твердеющей закладкой на рудниках Норильского ГМК» [ 62 ] при проведении и креплении выработок в закладочном массиве руководствуются следующими положениями: а) чтобы обеспечить устойчивость выработок в закладочном массиве, целесообразно сооружать их путем возведения крепи с последующей закладкой выработанного пространства или с помощью проходческих комбайновб) допустимо поддержание выработок в закладочном массиве без крепи при следующих горно-технических условиях (табл. 7.1). в) при соблюдении условий, приведенных в табл. 7.1, выработки необходимо крепить в зависимости от их состояния: штангами с металлической сеткой (решетка, стяжка) по кровле выработки, металлической арочной податливой крепью из спецпрофиля или другой поддерживающей крепью с затяжкой боков и кровливид и параметры крепи определяют по паспорту крепления выработкиг) при выборе вида крепи следует определять максимальные смещения контура выработки в центральной части пролета подработки по номограмме (рис. 7.2) — если выработка находится не по.

— 351.