Низкая цена
Всего 249a за скачивание одной диссертации
Скидки
75 диссертаций за 4900a по акции. Подробнее
О проекте

Электронная библиотека диссертаций — нашли диссертацию, посмотрели оглавление или любые страницы за 3 рубля за страницу, пополнили баланс и скачали диссертацию.

Я впервые на сайте

Отзывы о нас

Геомеханическое обоснование параметров подземной геотехнологии при совместной разработке месторождения в тектонически напряженном массиве : на примере месторождения "Олений ручей" : диссертация ... кандидата технических наук : 25.00.20 / Земцовский Александр Васильевич; [Место защиты: Гор. ин-т Кол. науч. центра РАН]

Год: 2014

Номер работы: 735529

Автор:

Стоимость работы: 249 e

Без учета скидки. Вы получаете файл формата pdf

Оглавление и несколько страниц
Бесплатно

Вы получаете первые страницы диссертации в формате txt

Читать онлайн
постранично
Платно

Просмотр 1 страницы = 3 руб



Оглавление диссертации:

Одной из основных тенденций разработки месторождений полезных ископаемых является усложнение горно-геологических и горнотехнических условий ведения горных работ. С другой стороны увеличивающаяся в последнее время стоимость минеральных ресурсов приводит к необходимости возникающих более проблем полного может извлечения заключаться полезных в компонентов из недр. Решение технологии горного совершенствовании производства, а также в применении безопасных и эффективных способов добычи полезных и

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ. .

1.1. Актуальность проблемы геомеханического обоснования параметров подземной геотехнологии при совместной разработке месторождения. Одной из важнейших задач, стоящих перед горнодобывающей является рациональное использование минеральных ресурсов с промышленностью степени повышением комплексности освоения недр. Основным направлением решения данной задачи является создание и разработка технологических схем освоения месторождений, которые, сочетая в себе различные способы разработки, позвол

.

. Месторождение «Олений ручей» относится к группе месторождений апатит-нефелиновых руд, которые располагаются в пределах Хибинского массива. Данный массив является одним из крупнейших в мире массивов нефелиновых сиенитов и располагается в центральной части Кольского полуострова. Его абсолютный возраст по данным представленным в [22] составляет 290±10 млн. лет. В плане массив имеет кольцевое строение с крутыми контактами с вмещающими породами. Как указано в [23] на юге Хибинский массив конта

. Как было указано в предыдущем пункте, породы Хибинского массива залегают по типу конических кольцевых слоев. Апатитовые руды слагают пластообразные рудные тела 15 мощностью от 50 до 300 м. Падение рудных тел - к центру массива под углами от 20° до 60°. Подстилающими породами являются ийолит-уртиты, покрывающими - рисчорриты. Прочность руд в образцах характеризуется следующими показателями: предел прочности при однооосном сжатии асж = 60-160 МПа; растяжении ораст~ 100-250МПа; араст= 3-7 МП

. В настоящее время разработка апатит-нефелиновых месторождений Хибин ведется открытым и подземным способами. При подземной разработке запасов наибольшее распространение получили системы этажного и подэтажного принудительного обрушения с массовой отбойкой руды [32]. Также при отработке запасов Хибинских апатитовых рудников применяется несколько вариантов системы подэтажного принудительного обрушения с торцевым выпуском руды и применением высокопроизводительного самоходного оборудования. Ра

1.3. Обзор исследований, посвященных комбинированной разработке месторождений удароопасных условиях. в К настоящему времени терминология в области комбинированной разработки месторождений недостаточно устоялась. При этом существуют различные критерии и подходы к классификации всевозможных способов отработки запасов месторождений, что создает трудности в однозначном определении комбинированного способа разработки. Рассмотрим и проанализируем существующие на настоящий момент работы, по

. При обзоре работ, посвященных геомеханическим вопросам отработки месторождения комбинированным способом, было установлено, что различными исследователями решались следующие вопросы:

1) Определение безопасных параметров потолочного целика между пространством карьера и очистным пространством подземных горных работ;

2) Изучение особенностей сдвижения и обрушения пород при подземной подработке откосов и бортов карьера;

3) Оценка влияния массовых взрывов в карьере на устойчив

.

.

. Из существующих методов исследования геомеханического состояния массива горных пород можно выделить две основные группы: аналитические и экспериментальные методы. Они используют различные подходы и инструменты для изучения одного и того же объекта, а также обладают своими преимуществами и недостатками. Комплексное использование как аналитических, так и экспериментальных методов для изучения объекта позволяет получить наиболее достоверную информацию о состоянии массива. Для анализа данных по

. Экспериментальные методы исследования состояния массива опираются не только на натурные методы, но также могут быть дополнены лабораторными испытаниями горных пород [64 - 69]. Хотя экспериментальные методы обладают неоспоримым преимуществом, таким как большая точность и достоверность полученной информации, для них характерны дороговизна, трудоемкость, сложность организации постановки эксперимента и уменьшение достоверности результатов при отклонении от условий эксперимента. Изучение состо

. Аналитические наибольшей методы исследования состояния массива горных описании геомеханических процессов пород в обладают от общностью при отличие экспериментальных, так как натурные методы дают решение только для конкретных горногеологических условий. Точность аналитических решений зависит от учета факторов, влияющих на состояние массива. Чем больше будет учтено действующих факторов, а также выше соответствие свойствам реальных горных пород, тем точнее решение будет отображать происход

. В последнее время с ростом мощностей вычислительной техники большую популярность получили численные методы исследования геомеханических процессов в массиве. Для данных методов характерны универсальность, применимость для широкого класса случаев и относительная простота вычислений. Однако они требуют большой объем вычислений и надежность исходных данных, а также решение, полученное численными методами, является приближенным.

. Рассмотрим основные численные методы моделирования и, не останавливаясь на их сущности, выделим их основные преимущества и недостатки. Метод конечных разностей. Основная идея метода, проблемы построения и свойства систем конечно-разностных уравнений рассмотрены в [85]. Основные преимущества данного метода: простота реализации и быстрота вычислений для упрощенных однородных задач. К основным недостаткам метода можно отнести: сложность учета структурных неоднородностей и геометрически сложных

. Программный комплекс Sigma GT разработан в Горном институте КНЦ РАН. Комплекс использует метод математического моделирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород на основе решения трехмерных задач механики горных пород с применением метода конечного элемента [53]. Одной из основных задач программного обеспечения Sigma GT является прогнозная оценка изменения НДС массива пород с целью выбора технических решений по обеспечению безопасности и эффективности горных работ.

. В настоящее время для описания поведения массива горных пород используют два больших типа моделей: модели сплошной среды и модели дискретной среды. Так как массив представляет сбой иерархически-блочную среду со структурными неоднородностями различных порядков, то дискретная модель, которая может учесть данные особенности, лучше описывает поведение массива горных пород. Для моделирования массива со структурными неоднородностями используем следующий подход. При создании модели массива горн

. В настоящее время на месторождении «Олений ручей» ведутся работы по вскрытию запасов нижнего яруса рудных тел, которые заключаются в проходке трех параллельных штолен (транспортная, конвейерная, воздухопадающая), автоуклонов и трех стволов (главный, воздухопадающий и вспомогательный). Проходка транспортной и конвейерной штолен практически закончена. Ведутся работы по проходке воздухопадающей штольни и созданию выработок околоствольного двора для главного ствола. Начата проходка автоуклон

. Осмотр выработок на начальном этапе проходки не выявил каких-либо признаков проявлений горного давления. Состояние выработок характеризовалось как устойчивое. Разрушения крепи отсутствовали. При проходке штолен после сбойки №6 и автоуклона +234/-220 после узла перегрузки №2 были отмечены проявления горного давления в виде шелушения, стреляния, динамического заколообразования. Разрушение контура выработки происходило преимущественно в кровле выработки, реже на сопряжении кровли со стенкой.

. Сейсмическая томография. Сейсмотомографические исследования проводились для участка массива, ограниченного транспортной и конвейерной штольнями, а также сбойками №2 и №3. Возбуждение упругих волн осуществляется механическим способом при помощи удара кувалды по массиву. Приём этих волн вьшолняется с помощью 24-канальной сеисмостанции SmartSeis фирмы Geometries. Результаты измерений представлены на рисунке

2.3.

а) Транспортная штольня : ^ 63 ' I v ^ r g ^ v ,. g 20 \ % О<

. На рисунке

2.7 представлены результаты реометрических измерений, проведенных на тех же станциях что и ультразвуковые измерения,

а) Растояние от контура выработки, м б) 0,4 0,6 0,8 ~ХГ 1,* 1,6 Растояние от контура выработки, м Рисунок

2.7 - Графики изменения проницаемости пород. По результатам измерений установлено, что вокруг выработки после их проходки образуется зона повышенной трещиноватости мощностью 0,3 - 0,5 м. от устья скважин. С учетом наклона скважин к по

. Для выявления напряженного состояния в нетронутом массиве были выполнены измерения напряжений методом разгрузки на горизонте +240 м. В забое воздухоподающей штольни была оборудована станция, расположение которой отмечено на рисунке

2.8. с s \ ТРОН Чх. СПОРТНОЧ ЫТС'ЛЫ-Ы \ \| If) К о н в е й е р н а я штольня \ п 1 п Omax-36 М П З Д--^Возду> оподоюцоч и т о л ь и я 1 Л 1ТОНЦИЧ/ \ \ ОтахЭЗИМ. 2 5 ° Рисунок

2.8 - Схема расположения станции измерений напряжений ме

. По результатам анализа горно-геологических и геомеханических данных о месторождении были разработаны объемные численные модели для расчета НДС массива на нескольких масштабных уровнях. Моделирование проводилось методом конечных элементов с помощью программного комплекса Sigma GT, разработанного в Горном институте КНЦ РАН [53]. При разработке численных моделей была применена методика последовательных приближений [96], которая заключается в разделении расчетов НДС массива на нескол

. Границы мелкомасштабной модели. Определение границ и размеров модели основывалось на принципе Сен-Венана, в соответствии с которым влияние особенности распространяется на расстояния не более трех ее 53 характерных размеров. Согласно данному принципу границы модели должны быть разнесены от области горных работ на расстояния равным примерно трем радиусам этой области. Так как в непосредственной близости от месторождения «Олений ручей» располагается Ньоркпахкское месторождение, отрабатываемо

. Для оценки влияния горных работ на состояние массива в данном и следующих пунктах, возьмем критерий в виде 5% разницы между значениями максимальной компоненты главных напряжений а\, характерных для исходного ai° и конечного ai K состояния массива. То есть для каждого участка массива определим относительную разницу между oi и о\ по формуле к к = ^ М 1 • юо% (

2.2) и будем считать, что в том участке массива, где к превысило 5%, напряжения изменились достаточно, что бы говорить о вл

. Согласно [35] нижний ярус рудных тел месторождения «Олений ручей» будут отрабатывать подземным способом после отработки карьером запасов верхнего яруса. Часть запасов нижнего яруса будет оставлена в предохранительных целиках под карьерами «Олений ручей» и Ньоркпахкский. Верхняя часть нижнего яруса рудных тел будет отрабатываться системой с открытым очистным пространством - этажно-камернои системой разраоотки. Для оценки влияния подземных горных работ на НДС массива дополнительно оыли р

Сравнение результатов численного моделирования с данными натурных исследований. Выше были представлены результаты натурных исследований состояния массива для горизонта +240 м. В результате данных исследований было установлено, что в массиве действуют высокие горизонтальные напряжения, максимальная компонента главных напряжений на горизонте +234 м составляет а г а а х = 36 МПа, азимут вектора максимальной компоненты равен приблизительно 25°. Для сравнения данных о состоянии массива, получен

.

.

. Оценка устойчивости элементов системы разработки является сложной задачей ввиду неопределенности описания механических процессов, происходящих в массиве горных пород. Поэтому при анализе устойчивости руководствуются различными критериями разрушения горных пород. В настоящее время существует ряд теорий, описывающие процесс разрушения материалов по различным параметрам прочности. Проведем анализ данных теорий с целью выявления наиболее подходящей для условий апатит-нефелиновых месторождений

1.1.Классические теории разрушения материалов. Теория максимальных нормальных напряжений. Одной из самых первых теорий разрушения, предложенная в 1638 [102] году Г. Галилеем, является теория максимальных нормальных напряжений. Данная теория основана на гипотезе разрушения материала при достижении максимальным нормальным напряжением в некоторой точке предельных значений (прочности растяжение или сжатие). Условие отсутствия предельного состояния можно записать в виде о-р<о;<асж материа

. В 1900 году О.Х. Мором была предложена новая теория прочности материалов [105]. В основе данной теории лежит предположение, что разрушение происходит тогда, когда значение сдвигающих напряжений, действующих в плоскости сдвига и зависящее от нормального к этой плоскости напряжения, достигает критического значения. Предположим, что главные нормальные напряжения действуют на некоторый элементарный объем (рисунок

3.1). В плоскости сечения, перпендикулярного к оси OY, действуют напряжен

. На основе обширного фактического материала по объемным испытаниям пород, полученным в институте ИГД им. акад. А. А. Скочинского в 1950-60 г.г. М.М. Протодьяконовым, было предложено обобщенное уравнение паспорта прочности [109] в виде эмпирической зависимости: Г T (<7р + СТп)2 I Г2 А\ "t = W [ ( g p + q n ) 2 + a zj (3-6) где Т а и а - параметры материала, первый из которых дает ординату асимптоты, к которой щх стремится предельная огибающая, а второй задает форму (крутизну

3.1.2. Оценка безопасных параметров конструктивных элементов системы разработки. Запасы месторождения сначала будут отрабатываться открытым способом, затем предполагается строительство подземного рудника. На некотором этапе отработки запасов месторождения работы будут вестись как на карьере, так и в подземном руднике одновременно, что предполагает сохранение дневной поверхности на этом этапе работ. Подземная отработка запасов месторождения в пределах нескольких верхних этажей будет проис

. Основным принципом обоснования параметров расчетной области для второго этапа моделирования является условие отсутствия влияния задаваемых на новых гранях модели граничных условий на распределение напряжений внутри области при достижении максимальных размеров отработанного очистного пространства. Ранее при решении аналогичных задач было установлено, что отклонения напряжений в массиве с размером отработанного очистного пространства 1отб, (где 1отб - размер половины пролета отбиваемого в

. Одной из технологических систем для отработки запасов нижнего яруса была предложена этажно-камерная система разработки [35]. Данной системой предполагается вести горные работы на двух верхних этажах в пределах высотных отметок 0+200 м. Определим минимальное значение ширины целика на основе методики, изложенной в «Методических указаниях...» [112], с учетом того, что максимальный пролет камеры не превышает 60 м. Согласно [112] для расчета ширины МКЦ будем использовать следующую формулу КнКа

. Известно, что форма проявления, характер развития и параметры процесса сдвижения горных пород и дневной поверхности зависят от следующих основных факторов: формы и размеров выработанного пространства; физико-механических свойств вмещающих пород; угла падения залежи; структурных особенностей массива (трещиноватость, тектонические разрывы, ослабленные зоны); глубины разработки; рельефа местности; величины и направления действия тектонических сил; сейсмического воздействия массовых взрывов;

3.4. Оценка необходимых параметров обнажений для перехода к системе с обрушением подработанных пород. Для обоснования перехода к системе с обрушением пород кровли на нижних горизонтах, где рудные тела характеризуются большей мощностью, необходимо определить параметры очистного пространства двух верхних промежуточных этажей, при которых создаются условия для достаточного заполнения очистного пространства обрушенными породами. То есть объем пород в массиве, вероятность обрушения которых близк

.

.

. Рассмотрим состояние массива горных пород при последовательной подземной отработке запасов месторождения. Для этого исследуем состояние массива в следующих участках:

1) в рудном теле,

2) в лежачем и

3) висячем боку рудной залежи. При анализе состояния массива рассматривалась данные о максимальной компоненте главных напряжений о"ь полученных в результате численного моделирования НДС массива горных пород. Для анализа были выбраны варианты расчета I, V, VII, IX. Данные

. Одним из важных аспектов обеспечения безопасности горных работ является определение устойчивости выработок и проведение необходимых мероприятий по разгрузке и креплению. Прогнозные расчеты категорий удароопасности оригинального программного приложения SigmaGT. Оценка устойчивости выработок по результатам прогноза напряженного состояния массива пород проведена по показателю отношения действующих напряжений на контуре выработки к прочности пород при одноосном сжатии о01осж [70] (таблица

. Для оценки напряженно-деформированного состояния концентрационного горизонта -220 м был проведен анализ результатов моделирования для вариантов:

- до создания подземной очистной выемки;

- после отработка пяти секций по промежуточному этажу +200 м и трех секций по промежуточному этажу +0 м. Сравнение вариантов показало практически неизменный уровень и направление напряжений, что объясняется значительным удалением (более 400

м) от промоделированной очистной выемки. Для на

. Цель данного исследования заключалась в оценке устойчивости выработки на разной глубине, с различными режимами нагружения. Как известно, одним из главных факторов, определяющих состояние выработки, является напряженно-деформированное состояние массива горных пород [26]. Для оценки состояния было проведено исследование полей напряжений, действующих в массиве вокруг выработки, с помощью методов численного моделирования. Исследование проводилось для незакрепленной выработки, пройденной в упр

. Examine2D, разработанном фирмой В работе было проведено численное моделирование 3 различных состояний массива горных пород. В варианте №1 моделировалось НДС массива, которое возникло в результате действия только собственного веса горных пород. В варианте №2 кроме действия собственного веса горных пород, моделировалось действие тектонических напряжений равных 50 МПа и неизменяющихся с глубиной. В варианте №3 моделировались тектонические напряжения, увеличивающиеся с глубиной, характерные дл

. Для всех вариантов вертикальная составляющая Р определялась по формуле Р = уН, где у - плотность породы, Н - глубина расположения выработки. Горизонтальная составляющая Q зависела от типа моделируемого поля напряжений. Для варианта №1 горизонтальную составляющую Q принимали Q = 4YH, 5 = W(l-u), где £, - коэффициентом бокового отпора, х> - коэффициент Пуассона. На рисунке

4.12 показана схема модели для варианта №1. В центре модели располагается выработка с шириной 5,1 м и высотой

. Вариант №1. Результаты для условий варианта №1, в котором моделировалось НДС массива, сформировавшееся только под действием гравитационных сил, представлены в таблице

4.3 и на рисунке

4.15. Таблица

4.3 - Результаты моделирования для варианта №1. Глубина, м 100 500 1000 1500 2000 2500 3000 Горизонтальная компонента Q, МПа 1 4 8 11 15 19 23 Вертикальная компонента Р, МПа 3 15 30 45 60 75 90 Тангенциальные напряжения, о"е В кровле, В стенке, МПа МПа -0,8 5 25 -4Л 51 -

. Для более детального анализа параметров разрушения горной выработки с увеличением глубины при различных режимах нагружения применялись следующие критерии разрушения:: 130 критерий Кулона-Мора [105]; критерий Хука-Брауна параметрами хрупкого разрушения [129]. Определим размеры зон разрушения выработки для каждого рассчитанного варианта НДС массива. Под размером разрушения будем понимать расстояние L (рисунок

4.18) от начального контура выработки до контура, который образовался бы в