Обоснование формы сечения нарезных выработок при отработке подкарьерных запасов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

составляет более 80 %, влажность максимальная и составляет в верхних межслоевых образованиях около 15 %. Общее распределение фракций по гранулометрическому составу (по площади) приведено в таблице.

Консолидация искусственных массивов оценивалась по механическим характеристикам хвостов обогащения, основополагающим для прогноза поведения подземных техногенных образований, которые претерпевают изменения от пульпообразного до связко-сыпучего и хрупкого. В связи с дезинтегрированной структурой закладочного массива исследования механических характеристик сводились к изучению сопротивления хвостов сдвигающим усилиям, возникающим в результате воздействия различных факторов, таких как увеличение давления (уплотнение), изменение влажности хвостов (начальной и конечной) и т.д.

Определение показателей сопротивления хвостов сдвигающим усилиям показало, что величина сцепления в зависимости от влажности и

величины уплотнения изменяется в искусственных массивах в пределах 5-40 кПа, а угла внутреннего трения в диапазоне 20-35° (рис. 4).

Наличие незаполненных вертикальных трещин и вертикальной устойчивости обнажений в верхней (наблюдаемой) части камер, подвергшихся незначительному уплотнению от собственного веса (до 0,1 МПа), прекращение вертикальной осадки, отсутствие горизонтальных смещений подтвердили ранее выполненные теоретические построения и лабораторные эксперименты в барокамере при 0,5 МПа, характеризующие процессы при гидрозакладке больших объемов пустот.

Таким образом, можно констатировать, что сформированные искусственные подземные массивы из отходов обогащения практически осушены и сконсолидированы в соответствии с прогнозными показателями, что открывает перспективы для дальнейшего расширения технологии подземного складирования.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------------

Лейзеровмч С.Г. - зав. лабораторией технологии подземных горных работ, ОАО «НИИКМА». Усков А.Х. - ст. научый сотрудник, кандидат технических наук, ОАО «НИИКМА».

Ельников В.Н. - главный инженер, ОАО «Комбинат КМАруда».

---------------------------------------- © В.Д. Барышников,

Л.Н. Гахова, 2004

УДК 622.831

В.Д. Барышников, Л.Н. Гахова

ОБОСНОВАНИЕ ФОРМЫ СЕЧЕНИЯ НАРЕЗНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ ОТРАБОТКЕ ПОДКАРЬЕРНЫХ ЗАПАСОВ

Семинар № 11

Отработка запасов переходной зоны от открытых к подземным горным работам сопряжена с большими трудностями. Для глубоких карьеров область сопряжения их бортов и дна находится в зоне повышенной концентрации напряжений. Особенности напря-

женного состояния массива ниже дна карьера во многом определяют условия поддержания подготовительно-нарезных выработок.

Разработка кимберлитовой трубки «Айхал» АК «АЛРРОСА» открытым способом завершена на глубине 325 м от поверхности. В настоя-

щее время на месторождении приступили к подземной разработке запасов в северовосточном борту карьера системой подэтажной выемки с открытым очистным пространством. Опыт ведения очистных работ свидетельствует о неудовлетворительном состоянии нарезных выработок, пройденных в рудном массиве.

Одним из способов повышения устойчивости горных выработок является формирование при проходке оптимальной формы их поперечного сечения. В работах [1-4] показано, что выбор той или иной формы определяется, главным образом, напряженным состоянием горного массива.

В настоящей статье по результатам численного моделирования НДС массива приводится анализ состояния нарезных выработок рудника «Айхал». Допуская многовариантность расчетов, численное моделирование непродолжительно по времени, позволяет оперативно отражать изменения условий разработки и использовать данные натурных наблюдений для уточнения и обобщения полученных результатов.

Решение объемных задач для анализа гео-механических условий разработки, требующее достоверной горно-геологической информации и широкого спектра свойств массива, зачастую невозможно из-за отсутствия необходимых исходных данных.

В этом случае наиболее приемлемым можно считать решение трехмерных модельных задач, носящее оценочный характер [5] (в модельных задачах упрощена, как правило, геометрия объекта, свойства массива и т.п.). По данным моделирования, допуская определенную погрешность, можно вносить поправку за счет объемного напряженного состояния в результаты, полученные решением задач в плоской постановке, менее трудоемких, но позволяющих точнее учесть геометрию объекта и структуру массива. Последующая корректировка установленных на основе упрощенной модели закономерностей распределения НДС массива производится по данным визуальных и инструментальных наблюдений за состоянием конструктивных элементов.

Конфигурация карьера (вытянутое эллипсовидное тело с соотношением осей 1:6,5) позволяет считать приемлемыми расчеты в плоской постановке для выработок, ориентирован-

ных по простиранию рудного тела (штреки и рассечки).

Анализ НДС выработок, пройденных в крест простирания рудного тела (орты), проводился на основе комбинации решений задач в плоской постановке. Для обоснования правомерности такого подхода решена модельная трехмерная задача, в которой карьер аппроксимирован усеченным эллипсоидным конусом с соотношением осей 1:6,5 (ось X - по простиранию рудного тела, ось У - в крест простирания, ось Ъ - вертикальная). Нижнее основание конуса имеет форму дна карьера (отм. +205 м). Под центральной его частью размещена выработка, протяженностью 50 м, продольная ось которой перпендикулярна большой оси эллипсоида.

Исходное поле напряжений принято гидростатическим, т.е. вертикальные и горизонтальные напряжения равны весу налегающей толщи пород (экспериментальные данные отсутствуют). В соответствии с проектом прочность пород на сжатие асж = -34 МПа; прочность пород на растяжение ар = 0,5 МПа.

В табл. 1 приводятся значения ах, ау, ах в точках контура выработки из решения трехмерной задачи (вертикальное сечение в средней части выработки) и полученные из комбинации плоских решений. Сравнение результатов решений дает основание говорить, что различие представленных результатов (до 15 %) не превосходит значений, обусловленных соответствием принятых в расчетной модели параметров реальному состоянию и свойствам массива.

Полученные с использование плоских расчетов результаты можно считать оценкой сверху.

Проведены численные расчеты НДС рудного массива в окрестности штреков с поперечным сечением прямоугольной, сводчатой и эллиптической формы, пройденных под дном карьера: 1 - в центральной части рудного массива; 2 - на границе рудного тела с вмещающими породами. В первом случае штрек попадает в зону разгрузки от вертикальных и повышенных горизонтальных напряжений нетронутого массива. Во втором - в зону повышенных градиентов напряжений от сопряжения днища и борта карьера.

Таблица 1

Напряженное состояние на контуре выработки сводчатой формы поперечного сечения

Конструктивный Трехмерное решение Комбинация плоских

элемент решении

Оу СТг

почва -6,2 -10,1 0,0 -7,3 -10,9 0,0

борт -5,1 0,0 -4,5 -5,7 0,0 -5,0

кровля -9,7 -17,9 0,0 -10,1 -21,7 0,0

Таблица 2

Форма штреков Номер точки Штрек в центральной части рудного массива Штрек на границе рудного тела с вмещающим массивом

стх стг стг

1 -33,5 0 -24,6 0

Прямоу- 2 0 13 0 -0,7

гольная 3 -38,1 0 -32,1 0

4 0 13 0 3,7

1 -32,3 0 -23,5 0

Сводча- 2 0 11,6 0 0

тая 3 -62,4 0 -45,4 0

4 0 11,6 0 -0,63

1 -38,8 0 -28,6 0

Эллипти- 2 0 13,5 0 -1,7

ческая 3 -84,0 0 -64,0 0

4 0 13,5 0 -4,1

На рис. 1а для рассматриваемых форм сечений штреков, расположенных по центру трубки, приведены изолинии горизонтальных напряжений (ах), превышающих прочность пород на сжатие; на рис. 16 - изолинии вертикальных напряжений (а2), превышающих прочность пород на растяжение.

В табл. 2 приведены значения ах, а2, в почве (точка 1), бортах (2, 4) и кровле (3) трех форм поперечных сечений нарезных штреков.

Таблица 3

Параметры критических зон в окрестности штреков, м

Анализ результатов позволяет отметить следующее (см. рис. 1).

При проходке штрека распределение напряжений симметрично относительно оси выработок. В кровле горизонтальные напряжения достигают критических значений. Однако, не смотря на то, что формирование эллиптической формы кровли приводит к росту сжимающих горизонтальных напряжений на поверхности штрека в центре кровли (до -84 МПа), область их критических значений охватывает не более 0,4 м кровли (рис. 1а), в то время как в кровле сводчатой формы - »2,3м; при прямоугольной - охватывает всю кровлю штрека. Области, в которых горизонтальные напряжения превышает прочность пород на сжатие, удалены вглубь массива на 1,5 м (прямоугольная форма); 1 м (сводчатая); 0,6 м (эллиптическая).

Наличие вертикальных растягивающих напряжений в бортах характерно для всех анализируемых форм сечений (рис. 16). В табл. 3 приведены параметры зон, в которых превышена прочность пород на растяжение.

Таким образом, увеличение кривизны свода и бортов приводит к уменьшению (локализации) зоны предельных напряжений на контуре

Параметры зоны Зона критических сжимающих напряжений Зона критических растягивающих напряжений

прямо- угольная сводчатая эллип- тическая прямо- угольная сводчатая эллиптиче- ская

длина по контуру сечения вся кровля 2,3 0,4 Весь борт 2,0 1,0

глубина зоны 1,5 1,0 0,6 0,8 0,6 0,4

Таблица 4

Параметры критических зон в окрестности орта, м

Параметры зоны Зона критических ежи- Зона критических растягивающих напряжений мающих напряжений

прямо- угольная сводчатая эллип- тическая прямо- угольная сводчатая эллиптиче- ская

длина по контуру сечения вся кровля 1,5 0,4 2,5 1,2 -

Глубина зоны 0,8 0,6 0,4 0,5 0,3 -

Рис. 2

выработки.

При проходке штрека на границе рудного тела с вмещающими породами он попадает в зону повышенных градиентов напряжений от сопряжения днища и борта карьера. Характер формирования предельных зон с незначительной асимметрией их местоположения на контуре, близок к рассмотренному выше для штрека в центральной части рудного массива (см. табл. 2). Область критических значений для форм поперечного сечения: прямоугольной

1. Определение рациональной формы поперечного сечения выработок в условиях повышенного горного давления / Барышников В.Д., Курленя М.В., Лаврентьев Г.В и др. / «Геомеханическая интерпретация результатов натурного эксперимента.- Новосибирск.-1983.

2. К выбору формы и креплению выработок. / Ста-жевский С.Б./ ФТПРПИ.- 1986.- N5.

3. Тектонические напряжения в земной коре и устойчивость горных выработок / И.А. Турчанинов, Г.А.,

- охватывает всю потолочину, удалена вглубь массива на 1,5 м; сводчатой - 1,8 ми 0,8 м; эллиптической - 0,5 м и 0,4 м.

Данные о напряженном состоянии приконтурной части орта (рис. 2, табл. 4) получены с использованием комбинации решений плоских задач.

Зона, в которой горизонтальные напряжения превышает прочность пород на сжатие, охватывает всю кровлю орта прямоугольной формы; при эллиптической форме - менее 0,4 м.

Область вертикальных напряжений, превышающих прочность пород на растяжение, вблизи орта прямоугольной формы охватывает весь борт, в то время как при эллиптической форме она отсутствует (см. рис. 2). Зоны предельных состояния прикон-турного массива ортов значительно меньше, чем для выработок по простиранию рудной залежи. Тем не менее, закономерности формирования зон в зависимости от изменения формы поперечного сечения качественно аналогичны вне зависимости от ориентации выработок.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод: при подэтажной выемке подкарьерных запасов оптимальной с точки зрения устойчивости нарезных выработок является эллиптическая форма сечения. Ее применение повышает безопасность горных работ при проходке выработок и улучшает условия их поддержания.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Г.А. Марков, В.И. Иванов, A.A. Козырев.- Л.: Наука.-1978

4. Устойчивость горных выработок в скальных породах/ Э.В. Каспарьян.- Л.: Наука.- 1985

5. Зависимость напряженного состояния кровли и стенок камеры от ее трехмерности / Зубков А.В./ ФТПРПИ.-1987.- N5.

— Коротко об авторах -------------

Барышников В.Д., Гахова Л.Н. — ИГД СО РАН.