На правах рукописи

МАРЫСЮК Валерий Петрович

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ КРАЕВОЙ ЧАСТИ РУДНОГО МАССИВА ПРИ ОТРАБОТКЕ ГЛУБОКИХ РУДНИКОВ ТАЛНАХА



«Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»





Специальность 25.00.20.- -

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук
САНКТ – ПЕТЕРБУРГ

2009

Ра­бо­та вы­пол­не­на в Го­су­дар­ст­вен­­ном ­об­ра­зо­ва­тель­ном уч­ре­ж­де­нии выс­ше­го про­фес­сио­наль­но­го об­ра­зо­ва­ния Санкт-Пе­тер­бург­ском го­су­дар­ст­вен­ном гор­ном ин­сти­ту­те име­ни Г.В. Пле­ха­но­ва (тех­ни­че­ском уни­­ве­рс­ит­ете) и На­уч­но-ис­сле­до­ва­тель­ском ин­сти­ту­те гор­ной гео­ме­ха­ни­ки и марк­шей­дер­ско­го де­ла – меж­от­рас­ле­вой на­уч­ный центр (ВНИ­МИ)
На­уч­ный ру­ко­во­ди­тель - док­тор тех­ни­че­ских на­ук Ша­ба­ров Ар­ка­дий Ни­ко­лае­вич
Офи­ци­аль­ные оп­по­нен­ты:

док­тор тех­ни­че­ских на­ук

про­фес­сор Ого­род­ни­ков Юрий Ни­ки­фо­ро­вич,
кан­ди­дат тех­ни­че­ских на­ук

Смир­нов Аль­берт Ан­д­рее­вич
Ве­ду­щее пред­при­ятие – Но­риль­ский ин­ду­ст­ри­аль­ный ин­сти­тут

За­щи­та со­сто­ит­ся 15 мая 2009 г. в 14 ч 15 мин на за­се­да­нии Дис­сер­та­ци­он­­н­ого со­ве­та Д 212.224.06 Санкт-Пе­тер­бург­ско­го го­су­дар­ст­вен­но­го гор­но­го ин­­ст­ит­ута име­ни Г.В. Пле­ха­но­ва (тех­ни­че­ско­го уни­вер­си­те­та) по ад­­р­есу 199106, Санкт-Пе­тер­бург, 21 ли­ния, д. 2, ау­ди­то­рия №1160.

С дис­сер­та­ци­ей мож­но оз­на­ко­мить­ся в биб­лио­те­ке Санкт-Пе­тер­бург­ско­го Го­су­дар­ст­вен­но­го гор­но­го ин­сти­ту­та име­ни Г.В. Пле­ха­но­ва (тех­ни­че­ско­го уни­вер­си­те­та)
Ав­то­ре­фе­рат ра­зо­слан 15 ап­ре­ля 2009 г.

Уче­ный сек­ре­тарь

Дис­сер­та­ци­он­но­го со­ве­та,

д.т.н. про­фес­сор Э.И. Бо­гу­слав­ский

ОБЩАЯ ХАРАКТРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время геомеханическая обстановка на глубоких рудниках Тал­наха представляется крайне осложненной. Это связано: во - первых, с увеличением глубины разработки рудных залежей до 1000 и более метров и, во – вторых, с формирова­нием зон повышен­ного горного давления, вызванного как горно-геологическими, так и горнотехническими причинами. Горно-геологические причины обусловлены тем, что в струк­турном плане Талнахский рудный узел разбит серией разрывных нарушений на тектонические блоки, в которых прослеживаются почти все уровни трещиноватости: крупные раз­рывы, связанные с региональными полями тек­тонических напряже­ний; разрывы, связанные с локальными складчатыми структурами, и системы макро- и микротрещин. При этом сам рудный массив пред­ставлен прочными и высокомодульными разновидностями руд, склонными при нагружении к разрушению в динамическом режиме. К горнотехническим причинам следует отнести особенности принятых на рудниках схем подготовки и порядок отработки шахт­ных полей, не исключающих ведение горных работ в узких целиках. Отработка таких целиков вызывает формирование в рудном массиве сложного поля на­пряжений, представляющего собой суперпозицию первичных и тех­ногенных напряжений, уровень которых не исключает вероятность проявления в целиках динамической форм разрушения краевой части рудного массива.

Таким образом, на глубоких рудниках Талнахского и Октябрь­ского месторождений сформировались особо сложные условия ве­дения гор­ных работ с повышенной вероятностью динамических форм проявления горного давления. В связи с этим возникает необ­ходимость проведения мероприятий по приведению массива в не­ударопасное состояние с постоянным и жестким контролем напря­жено-деформированного состояния рудного массива при ведении горных работ в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях.

Исследованию напряженно-деформированного состояния мас­сива горных пород посвящены работы ученых С. Г. Авершина, В.В Аршав­ского, Н.С. Булычева, В.А. Звездкина, В.П. Зубова, В.И. Ива­нова, А.А. Козырева, Г.Н. Кузнецова, К.В. Кошелева, А.М. Линь­кова, В.Н. Опарина, Н.Ю. Рассказова, М.А. Розенбаума, В.Д. Палия, И.М. Петухова, А.Г. Протосени, А.Н. Ставро­гина, В.С. Сидорова, А.П. Тапсиева, А.А.Филинкова, А.Н. Шабарова, Е. И. Шемякина и др. В этих работах отражены важнейшие положения механики гор­ных пород и массивов, составляющих основу ее современного со­стояния.

Тем не менее, методы экспериментальной оценки геомехани­ческого состояния массива существенно отстают от теоретических исследований. По-прежнему ведущую роль играет весьма трудоем­кая оценка напряженного состояния по дискованию керна, для по­лучения более точных оценок используется еще более трудоемкий метод разгрузки. Поэтому основной темой работы стал анализ ре­акций горного массива на повышенные напряжения и разработка нового метода текущего прогноза и оперативной оценки напряжен­ности краевой части рудного массива.

Цель работы: разработка методики оценки напряженного со­стояния краевой части рудного массива при отработке глубоких рудников Талнаха.

Идея работы: для оперативной оценки напряженного состояния краевой части рудного массива необходимо использовать вид и характеристики деформирования стенок скважины.

Задачи исследований:

1. Выявить условия формирования и особенности напряженно-деформированного состояния краевой части рудного массива, попа­дающей в зону влияния горных работ, и установить закономерности изменения прочностных и деформационных характеристик в зави­симости от расстояния от обнажения;

2. Исследовать и установить закономерности деформирования стенок скважин, пробуренных в краевой части рудного массива, на­ходящейся вне и в зоне влияния горных работ;

3. Установить закономерности между параметрами деформи­рования стенок скважин и напряженно-деформированным состоя­нием краевой части рудного массива и разработать на этой основе методику оценки ее напряженности.

Научная новизна работы:

1. Определено, что, что в зонах влияния очистных и подготовитель­ных выработок вследствие зонального распределения концентраций напряжений прочность пород дифференцирована в функции удале­ния от обнажения с шагом, составляющим 0,2 - 0,5 максимального размера выработки;

2. Установлено, что увеличение радиуса скважины, пробурен­ной в зоне влияния горных работ, пропорционально отношению максимального напряжения σ_max к прочности массива: , где R₂ – радиус скважины, d_скв – ее исход­ный диаметр, σ_сж – фактическая прочность породы в краевой части рудного массива.

Основные защищаемые положения:

1. При отработке рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений зональная дезинтеграция краевой части массива со­провождается образованием участков пород, отличающихся прочно­стными свойствами и уровнем напряжений, причем изменения прочности (повышение и снижение на разных участках) в зоне влияния одиночной выработки достигают 15 %, а в зоне влияния очистных работ – 30 %;

2. Дискование керна и разрушение стенок скважины представ­ляют собой две тесно связанные между собой формы реакции мас­сива на действие повышенных напряжений, при этом существует значимая и надежная корреляция (R>0,95) между оценками макси­мальных напряжений, полученных на основе этих двух явлений;

3. С целью реализации эффективной методики оценки и прогноза параметров техногенных напряжений при развитии очистных работ следует использовать данные об изменениях радиусов скважин, пробуренных в краевую часть рудного массива в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается большим объемом лабораторных и шахтных исследований, применением современных методов стати­стической обработки экспериментальных данных и анализа геоме­ханического состояния массива горных пород, а также положитель­ными результатами промышленного использования разработанной методики на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».

Практическая значимость работы:

- усо­вер­шен­ст­во­ва­на кон­ст­­ру­кция при­бо­ра, по­зво­ляю­щая про­во­дить ка­ро­таж сква­жин диаметром от 40 до 170 мм с кон­тро­ли­руе­мым пе­ре­ме­ще­нием при­бо­ра от­но­си­тель­но про­доль­ной и вер­ти­каль­ной осей сква­жи­ны;

- раз­ра­бо­та­на кон­ст­рук­ция на­блю­да­тель­ной стан­ции для про­гноз­ной и опе­ра­тив­ной оцен­ки на­пря­жен­но­го со­стоя­ния крае­вой час­ти руд­но­го мас­си­ва;

- раз­ра­бо­та­ны тех­но­ло­ги­че­ские па­ра­мет­ры вы­ем­ки за­щит­но­го слоя и бу­ре­ния раз­гру­зоч­ных сква­жин, для фор­ми­рования за­щи­щен­ных зо­н при ве­де­нии гор­ных ра­бот на уда­ро­­опа­сных уча­ст­ках руд­ных за­ле­жей.

Личный вклад автора заключается: в постановке цели, задач и разработке методики исследований; в личном участии в организации и проведении экспериментальных работ на рудниках «Октябрьский», «Таймырский» и «Скалистый»; в исследованиях прочности образцов руд и пород в лабораторных условиях, в анализе результатов наблюде­ний, выводе основных научных результатов, составлении и внедрении методики оценки напряженного состояния краевой части рудного массива.

Реализация работы. Созданная методика оценки напряжен­ного состояния краевой части рудного массива используется: про­ектными организациями «Институт Норильскпроект» и «ООО Ин­ститут «Гипроникель» при разработке регламентов отработки уда­роопасных участков рудных залежей Октябрьского и Талнахского месторождений; рудниками ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» при оперативной и прогнозной оценке напряженного состояния рудного массива, разработке паспортов крепления горных вырабо­ток и профилактических мероприятий по приведению краевой части рудного массива в неудароопасное состояние.

Апробация работы.

Основные положения диссертации док­ладывались: на междуна­родной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук» (Новосибирск, 2004 г.), на горной секции Горно-геологического управления ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» (г. Норильск, 2005-2008 гг.), на секции Уче­ного совета по геомеханике ОАО ВНИМИ (Санкт -Петербург, 2005-2007 гг.), на научно-техническом совете Научного центра геоме­ханики и проблем горного производства Санкт-Петербургского го­сударственного горного института имени Г.В. Плеханова (техниче­ского университета), (Санкт-Петербург, 2008-2009 гг.).

Публикации: Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 научных трудах, из них 2 - в рекомендованных ВАК РФ изданиях.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 112 страниц ма­шинописного текста, 37 рисунков, список литературы из 90 наиме­нований и одно приложение.

Автор выражает искреннюю признательность научному руко­водителю д.т.н. Шабарову А.Н. и к.т.н. Звездкину В.А. за внимание и ценные советы при подготовке и написании диссертационной ра­боты.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 приведены горно-геологические и горнотехнические условий отработки рудных залежей Норильского промрайона, вы­полнен анализ существующих методов оценки напряженного со­стояния массива горных пород. Сформулированы цель и задачи ис­следований.

В главе 2 разработана методика исследований прочностных свойств и напряженно-деформированного состояния краевой части рудного массива.

В главе 3 приведены результаты исследований и закономерно­сти изменения прочности и напряженно-деформированного состоя­ния краевой части рудного массива в зоне и вне зоны влияния гор­ных работ.

В главе 4 выполнено геомеханическое обоснование методики оценки напряженности краевой части рудного массива. Приведена методология текущей прогнозной и оперативной оценки напряжен­ности краевой части рудного массива, попадающей в зону влияния горных работ.

В заключение приведены основные научные и практические результаты диссертации.

В приложении приведены технико-экономические показатели вне­дрения методики на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель»

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. При отработке рудных залежей Октябрьского и Тал­нахского месторождений зональная дезинтеграция краевой части массива сопровождается образованием участков пород, отличающихся прочностными свойствами и уровнем напряже­ний, причем изменения прочности (повышение и снижение на разных участках) в зоне влияния одиночной выработки дости­гают 15 %, а в зоне влияния очистных работ – 30 %.

Для оценки напряженно-деформированного состояния крае­вой части рудного массива были проведены лабораторные и натур­ные исследования. В лабораторных условиях проводились исследо­вания физико-механических свойств образцов, отобранных из крае­вой части рудного массива, в шахтных - методами глубинных репе­ров, дискования керна и разрушения стенок скважины изучались процессы деформирования и формирования напряженного состоя­ния краевой части рудного массива.

Продолжительность наблюдений, сутки

Рисунок 1 - Характер деформирования краевой части рудного массива при развитии очистных работ


Лабораторные исследования показали близость деформиро­вания краевой части рудного массива к деформированию образцов трещиноватых горных пород. При нагружении образцов четко про­являются три стадии деформирования. На первой стадии, при воз­растании напряжений до 15 МПа (при прочности 90-120 МПа) в об­разцах происходит закрытие микро- и макротрещин, наведенных в руде в процессе генезиса рудной интрузии, с примерно постоянным соотношением продольных и поперечных деформаций. На второй стадии, при возрастании напряжений более 15 МПа, поперечные деформации увеличиваются с большей скоростью, чем продольные, в образцах начинается процесс образования новых систем микро- и макротрещин. При дальнейшем нагружении образцов начинается процесс ветвления и слияния природных и новых микро- и макро­трещин. На третьей стадии нагружения (при напряжениях 80-90 МПа), образцы, ослабленные вновь образованными системами тре­щин, приходят в предельное состояние и разрушаются.

В ходе длительных шахтных исследований было установлено, что такой механизм деформирования характерен и для краевой части рудного массива (рис. 1).

При этом в натурных условиях возрастание напряжений в ходе деформирования вызывается приближением зоны влияния очистных работ и влиянием опорного давления.

В

1
начале наблю­дений вне зоны влия­ния очистных работ в де­формировании руд­ного массива преобла­дающую роль на глу­бинах 900-1000м вы­полняют продольные деформации.

За счет продоль­ных деформаций про­исходит закрытие при­родных трещин. При этом в системах вер­тикальных или крутых трещин закрытие от­дельных трещин может происходить со сдвигом или поворо­том блоков относи­тельно друг друга. Процесс уплотне­ния массива (на графике область 1) растянут во времени и протекает с приблизительно по­стоянной скоростью деформирования, состав­ляющей в среднем 410^-3 мм/сутки. В зоне влияния горных работ (примерно 30-40 м от фронта очистных ра­бот) краевая часть рудного массива переходит во вторую стадию деформирования (на графике область 2). На дан­ной стадии рудный массив деформируются со скоростью порядка до 20-2510^-3 мм/сутки, которая в пять и более раз превышает ско­рость деформи­рования пород на предшествую­щей стадии уплотне­ния. В уплот­ненном массиве за счет быстрого роста поперечных де­формаций и деформаций растяжения происхо­дит образование новых систем микро- и макротрещин. В зоне мак­симального действия зоны опор­ного давления (примерно 10-20 м от фронта очистных работ), где напряжения превышают предел проч­ности ослабленного но­выми системами микро- и макротрещин мас­сива, в нем начинается про­цесс ветвления и слияния микро- и мак­ротрещин с образованием трещин более крупного порядка (на гра­фике область 3). На этой ста­дии процесс деформирования характе­ризуется циклическими из­ме­нениями скорости деформирования и резким возрастанием абсо­лютных величин деформаций рудного массива.

Таким образом, структурная однородность и трещинова­тость определяет нелинейный характер связи между напряжениями и деформациями в краевой части рудного массива.

Шахтными исследованиями с применением полевого проб­ника БУ-39, конструкции ВНИМИ, было установлено, что проч­ность руды на одноосное сжатие изменяется в зависимости от рас­стояния от обнажения. При этом участки краевой части рудного массива с различной прочностью руды прослеживаются, как в зоне влияния одиночной выработки, так и в зоне влияния очистных работ.

П
l/b
оявление в зоне влияния выра­ботки участков руд­ного мас­сива с различ­ными значениями прочности руды объ­ясняется тем, что выра­ботки на рудниках проводятся в доста­точно напряженном рудном массиве (глу­бина проходки вы­ра­боток 900 и более мет­ров). Выработки про­ходятся буро­взрывным способом, который вызывает появление в рудном массиве систем техногенных трещин, а сам процесс про­ходки выработок сопровождается перераспределением напряжений вокруг выработки. В краевой части рудного массива, попадающей в зону влияния выработки, протяженность которой равна примерно 0,2 максимального размера выработки (ширины или высоты в зави­симости от формы выработки), изменения прочности руды неве­лики. Снижение прочности за счет роста трещиноватости и реализа­ции нестесненных деформаций компенсирует увеличение прочно­сти, обусловленное закрытием трещин под действием опор­ного дав­ления. По нашим исследованиям область максимального действия влияния одиночной выработки распространяется в краевой части рудного массива на расстояние, примерно равное 0,5-0,7 мак­си­мального размера выработки. За этой областью отмечается тен­ден­ция возрастания и стабилизации прочности руды.

В
l/b

зоне влияния очистных работ также меняется характер рас­пределения прочности руды по глубине краевой части рудного мас­сива. Как и в зоне влияния выработки в краевой части рудного мас­сива имеется участок с при­мерно по­стоян­ным зна­чением проч­но­сти руды, его протяжен­ность состав­ляет приблизительно 0,2 макси­маль­ного раз­мера вы­ра­ботки. Появ­ление зоны с примерно посто­ян­ным значе­нием прочности руды объ­ясня­ется также, как и для выра­боток, взаимной ком­пенсацией сниже­ния прочности за счет трещино­образования и роста прочности за счет сжатия природных и наведенных трещин. Далее располага­ются участки, характеризую­щиеся цикличным изменением (сниже­нием или возрастанием) прочности руды. Такой характер изменения прочности руды, оче­видно, связан с различной степенью нарушен­ности рудного массива, определяющей жесткость, а, следовательно, и несущую способность участков рудного массива. Участки с пони­женной жесткостью (бо­лее трещиноватые) способны за счет подат­ливости уходить от дей­ствия повышенных напряжений без сущест­венных изменений проч­ности руды. Более жесткие участки рудного массива способны кон­центрировать напряжения и деформируются с наведением в руде техногенных систем макро- и микротрещин, ко­торые снижают прочность руды. Шаг формирования таких участков по глубине краевой части рудного массива составляет от 20 до 40-50 % макси­мального размера выработки.

Т

b –максимальный размер выработки

1, 2 - изменения прочности руды, соответственно, в зоне влияния горной выработки и очистных работ

Рисунок 2 - Вариации прочности руды по глубине (l) краевой части рудного массива


аким образом, анализ изменений прочности руды по глубине краевой части рудного массива (рис. 2) показал, что при ведении горных работ в рудном массиве могут появляться участки, как с по­ниженной, так и с повышенной прочностью руды.

Проведенные измерения дают основания ут­верждать, что в резуль­тате ве­дения горных работ краевая часть рудного массива транс­формируется в неоднородную структуру с из­менениями прочности руды, дости­гающими 15 процентов в зоне влияния одиночной выра­ботки, и 30 % – в зоне влияния очист­ных работ.

2. Дискование керна и разрушение стенок скважины пред­ставляют собой две тесно связанные между собой формы реак­ции массива на действие повышенных напряжений, при этом существует значимая и надежная корреляция (R>0,95) между оценками максимальных напряжений, полученных на основе этих двух явлений.

Обширные натурные исследования (более 500 измерений каж­дого параметра) показали, что дискование керна, выбуриваемого из напряженного массива, и разрушение стенок скважин являются, по сути, проявлениями одного и того же геомеханического процесса. Оба явления объясняются действием в массиве повышенных напря­жений, превышающих предел прочности руды. Опыты продемонст­рировали, что между процессами дискования керна и разрушения стенок керновой скважины су­ществует тесная связь. Во-пер­вых, протяженность зоны интен­сивного деления керна и разру­шения сте­нок скважины (рис. 3) характеризуются, в среднем, очень близкими величинами. Протяженность дискования керна в среднем составляла 24,8 см, а протяженность участка наиболее интенсивного разру­шения стенок скважины – 29,4 см. Во-вторых, не менее тесная связь про­сматривается и по рас­положению зон дискования и интенсивного разрушения сте­нок скважины. Среднее расстояние центра зоны диско­вания керна от стенки выработки составляет 2,7 м, а среднее расстояние до центра зоны раз­рушения - 3,2 м.

Анализ гистограмм рас­пределения случайных величин пока­зал, что эксперименталь­ное распределение характери­стик зоны дис­кования керна обладает явно выраженной асимметрией и удовле­твори­тельно описывается логнор­мальным распределением. Та­кой закон распределения слу­чайных величин свидетельст­вует о мультип­ликативном ха­рактере влияния технологиче­ских фак­торов (скорость вра­щения, усилие подачи бурового инструмента на забой сква­жины и т.д.) на диско­вание керна. Э

Рисунок 3 - Гистограммы распределения протяженности зон дискования керна (l_д) и разрушения стенок скважин (l_р).

кспериментальное распре­деление параметров раз­рушения стенок скважины при­ближается к нормальному за­кону, что свиде­тельствует об аддитивном харак­тере влияния на него перечислен­ных техно­логических факторов и доста­точно тесном группировании параметров относительно сред­него значения. Сравнительный анализ экспериментальных данных по диско­ванию керна и разрушению стенок скважины показал не только бли­зость средних значе­ний, но и примерное равенство дисперсий по критерию Фишера при уровне надежности р=0,05 и значительных объемах выборок (более 500).

Таким образом, несмотря на некоторые отличия в характере распределений, оба этих процесса очень близки между собой и яв­ляются двумя тесно связанными формами реакции массива на дей­ствие повышенных напряжений.

Исследованиями было установлено, что в краевой части руд­ного массива, затронутого горными работами, формируются участки до и запредельного деформирования рудной структуры. Напряжен­ное состояние вблизи обнажения изменяется от одноос­ного до объ­емного (рис. 4). В непосредственной близости от обнажения краевая часть рудного массива находится состоянии, близком к одноосному (зона 1). В этой зоне очень малы силы бокового рас­пора, а само главное нормальное напряжение σ₁ не превышает пре­дела прочности руды. Далее выделяются участки краевой части рудного массива, чье напряженное состояние приближается к плос­кому (зона 2). В этой зоне напряжения могут превы­шать предел прочности руды, и в массиве могут появляться де­фор­мации, как упругого вос­становления, так и деформации неупругого характера. За этой зоной рудный массив дефор­мируется практиче­ски без по­тери сплошности, что харак­терно для объемного напря­женного состояния (зона 3).

1, 2, 3 - зоны одноосного, плоского и объемного напряженного состояния рудного массива

Рисунок 4 - Напряженное состояние рудного массива, затронутого горными работами

Выше приведенные ха­рактеристики напряженно-де­фор­мированного состояния краевой части рудного массива подтвержда­ется характером деформирования стенок сква­жины. Стенки сква­жины, попа­дающие в зону 1, испытывают малые деформации, диа­метр скважины остается практически постоянным (изменения ≤1%). В зоне 2 вследствие действия повышенных напряжений происходит формирование области неупругих деформаций с последующим разрушением стенок скважины. В зоне 3 стенки скважины испытывают упругое деформирование без потери сплошности пород или видимые деформации практически отсутствуют.
Таким образом, в краевой части рудного массива, затронутого горными работами, проявляются все виды напряженного состояния, а состояние стенок скважины от­ражает ее напряженно-деформа­ци­онное состояние.

Шахтными исследованиям было установлено, что при буре­нии скважин в краевой части мас­сива, попадающей в зону влияния гор­ных работ, разрушение пород на контуре скважин происходит в ос­новном за счет действия верти­кальной составляющей тензора на­пряжений. Вертикальные на­пряжения σ₁ почти в два раза пре­вы­шают напряжения σ₂ и σ₃ бо­кового распора

Как показало бурение сква­жин, в краевой части руд­ного массива образуются зоны, в которых проявляются, как упру­гие, так и неупругие деформации, вызванные совместным действием гравитационных сил и опор­ного давления. Напряжения, вызванные гравитационными си­лами, не превышают прочность руды и приводят к уменьшению диаметра буримой сква­жины за счет реализации упругих деформаций. Напряжения от опорного давления, как правило, могут при­водить к появле­нию неупругих деформаций и разрушению стенок скважины.

Исследованиями была ус­тановлена линейная зависимость ме­жду радиусом неупругих де­формаций (разрушение стенок), диамет­ром скважины, прочно­стью руды и напряженным со­стоянием крае­вой части рудного массива. Связь между этими па­раметрами имеет коэффициент корреляции 0,95 и выражается уравнением вида

(1)
где d_скв – диаметр буримой скважины, R₂ – радиус неупругих деформаций, σ – напряжение в рудном массиве, = k_в – пре­дел прочности руды на одноосное сжатие в области измерений (раз­рушения стенок скважины), k_в- коэффициент изменения прочности руды в зоне влияния горных работ.

3. Данные об изменениях радиусов скважин, пробуренных в краевую часть рудного массива в вертикальной и горизонтальной плоскостях, являются основой эффективной методики опера­тивной оценки и текущего прогноза параметров техногенных зон повышенных напряжений при развитии очистных работ.

Согласно полученным выше закономерностям процесса деформирования приконтурного массива скважины, расчетная ве­личина напряжений в краевой части рудного массива должна опре­деляется с учетом начального поля напряжений нетронутого мас­сива, а также с учетом изменения прочности рудного тела по глу­бине краевой части рудного массива.

Влияние начального поля напряжений проявляется в уменьшении диаметра буримой скважины за счет реализации упру­гих деформаций при механическом извлечении горной породы, а изменение прочности руды, связанное с образованием в рудном массиве природных и техногенных трещин, учитывается с помощью полученных максимальных величин вариации прочности руды на одноосное сжатие в зоне опорного давления.

С

учетом этого, расчетная величина напряжений в каж­дой точке краевой части рудного массива, после преобразования формулы (1), определяется по формуле
(2)
где: – среднее значение предела прочности руды на одно­осное сжатие, МПа, k_в – коэффициент изменения прочности руды в краевой части рудного массива. В зоне влияния выработки значение k_в составляет 1,15, а в зоне влияния очистных работ – 1,3, d_скв – диа­метр буримой скважины, d_изм – измеренный диаметр сква­жины. k_у – коэффициент, учитывающий упругое деформирование приконтур­ного массива скважины (для рассматриваемых условий его значение составляет 1,01).

Для оперативной и текущей оценки напряженного состояния краевой части руд­ного массива предлага­ется методика, основанная на измерении диаметров пробурен­ных сква­жин, которая творчески развивает и распространяет на условия Ок­тябрь­ского и Талнахского месторождений разработки ГИ КНЦ РАН по определению категории удароопасности прочных руд и пород.

Оперативная оценка параметров техногенных напряжений в краевой части рудного массива производится бурением скважины с последующим инструментальным измере­нием топографии стенок скважины. Для текущей оценки оборудуются замерные станции, представляющие собой скважины, пробуренные вне зоны влияния очистных работ в краевую часть рудного массива в вертикальной и горизонтальной плоскости. По за­мерным стан­циям по мере подвигания фронта очистных работ про­водится изме­рение топографии стенок скважины и определение уровня напряже­ний по глубине краевой части рудного массива.

Для получения точных значений диаметра скважины был усовершенствован и широко апробирован специальный прибор ИДС-1, исходным прототипом которого послужил «КОРАС», разра­ботанный в ГИ КНЦ РАН. Глубина скважины при этом должна превышать максимальный размер выработки.

Полученные по формуле (2) значения напряжений в иссле­дуе­мых точках краевой части рудного массива проверяются по фактору безопасности неравенством вида σ_max ≤ 0,7 σ_сж, где σ_сж – предел прочности руды на одноосное сжатие.

Р

2
азработанная методика в сопоставлении с базовым мето­дом дискования керна прошла опытно-промышленные испыта­ния на 10 участках рудных залежей, отрабатываемых рудниками «Октябрь­ский», «Таймырский» и «Скалистый» ЗФ ОАО «ГМК «Но­рильский никель». Результаты испытаний показали удовлетвори­тельную схо­димость расчетных параметров величины напряжения по предла­гаемой и базовой методикам. Экономический эффект от внедрения методики на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский ни­кель» соста­вил 15 млн. рублей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится новое решение задачи, связанной с оценкой напряженного состояния краевой части руд­ного массива, имеющей существенное значение при разработке руд­ных месторождений, отнесенных к склонным и опасным по гор­ным ударам.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Определено, что, что в зонах влияния очистных и подготовитель­ных выработок вследствие зонального распределения концентрации напряжений прочность пород дифференцирована в функции удале­ния от обнажения с шагом, составляющим 0,2 - 0,5 максимального размера выработки. При отработке рудных залежей Ок­тябрь­ского и Талнахского месторождений в краевой части рудного мас­сива изменения прочности руды (повышение и снижение на раз­лич­ных участках) в зоне влияния выработки достигают 15 процен­тов, а в зоне влияния очистных работ – 30 процентов.

2. Доказано, что между радиусом неупругого деформиро­вания приконтурного массива скважины, прочностью руды и на­пряжен­ным состоянием краевой части руд­ного массива существует корре­ляционная связь, выражающаяся уравнением вида , где d_скв – диаметр буримой скважины, R₂ – ра­диус неупругих дефор­маций, σ – напряжение в рудном массиве, σ_сж – предел прочности руды на одноосное сжатие;

3. Разработана и научно обоснована методика оценки на­пря­женного состояния краевой части рудного массива, которая вошла составной частью в «Указа­ния по безопасному ведению горных работ на Талнахском и Ок­тябрьском месторождениях, склонных и опасных по горным уда­рам, Норильск, 2007 г.;.

4. Экономический эффект от внедрения методики на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» составил 15 млн. рублей.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ :

1. Прогноз и обеспечение устойчивости горных выработок на рудниках ГМК «Норильский никель». / В.А. Смирнов, В.А. Звезд­кин, А.Н. Шабаров, Б.Н. Самородов, В.П. Марысюк // Горный жур­нал, 2004, № 12, - с. 44-48.

2. Моделирование напряженно-деформированного состояния массива в окрестности горных выработок рудника «Скалистый» / А.Г. Оловянный, В.А. Смирнов, Б.Н. Самородов, В.П. Марысюк //Сборник трудов международной конференции ИГД СО РАН, 2004, - с. 159-164.

3. Звездкин В.А., Бабкин Е.А., Марысюк В.П. Особенности деформирования горного массива рудников Октябрьского и Талнах­ского месторождений. // Горный журнал, 2004, № 12, - с. 52-54.

4. Аршавский В.В., Марысюк В.П. Особенности напряженно-деформиро­нного состояния горного массива, вмещающего горные выработки глубоких рудников Талнаха. // Сборник научных докла­дов Норильского индустриального института, 2005, - с. 21-24.

5. Марысюк В.П. Оценка напряженно-деформированного со­стояния руд­ного массива на глубоких рудниках Талнаха. Горный журнал, 2005, № 3, - с. 16-18.

6. Марысюк В.П., Богайчук А.В. Быстротвердеющий полимер­ный состав для формирования вертикального разделяющего ограж­дения между рудным и закладочным массивами. Авторское свиде­тельство № 1802169 (СССР), 1992.

7. Указания по безопасному ведению горных работ на Талнах­ском и Октябрьском месторождениях, склонных и опасных по гор­ным ударам. Норильск, 2007, - с. 75-76.