Разработка и обоснование технологии взрывного закрепления горных выработок на удароопасных железорудных месторождениях (стр. 1 )

На правах рукописи

Разработка и обоснование технологии взрывного закрепления горных выработок

на удароопасных железорудных

месторождениях

Специальность 25.00.22 –

«Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Кемерово – 2010

Работа выполнена в Сибирском государственном индустриальном университете и Восточном научно-исследовательском горнорудном институте.

Научный консультант – доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

;

доктор технических наук, профессор

;

доктор технических наук, профессор

.

Ведущая организация – «Научный центр ВостНИИ по безопасности в горной промышленности» ( ВостНИИ)».

Защита диссертации состоится «21» октября 2010 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.02 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» 8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет».

Автореферат разослан «___» ____________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Железорудные месторождения Горной Шории и Хакасии в Алтае-Саянской складчатой области разрабатываются на больших глубинах в условиях действия высоких тектонических напряжений и сложных горно-геологических условиях. Руды и породы прочные, хрупко разрушаются под нагрузкой, способны накапливать значительную упругую энергию деформаций; около 90 % пород удароопасны. Развитие горных работ на месторождениях связано с ростом объемов проведения капитальных, подготовительных и нарезных выработок, длина которых на отдельных участках изменяется от сотен до тысяч метров. Крепление выработок в этих условиях является трудоемким, малопроизводительным и опасным процессом.

Сотрудниками ИГД СО РАН, ВНИМИ, ИПКОН, КНЦ РАН, СПГГУ (ТУ), СФ ВНИМИ, ВостНИГРИ, КузГТУ, МГГУ и служб прогноза и предупреждения горных ударов (ППГУ) выполнен большой объем теоретических и экспериментальных исследований по определению геомеханического состояния массива горных пород с применением различных методов измерения напряжений на рудных месторождениях. Наличие высоких горизонтальных напряжений (1) в нетронутом массиве объясняется действием современных тектонических процессов в регионе. Установлено, что вне зоны и в зоне ведения очистной выемки максимальные главные напряжения 1 в 2,5-5,0 раз превышают вертикальные (3). Вкрест простирания действуют напряжения (2), равные (1,4-2,5) 3. Главные нормальные напряжения в массиве горных пород находятся в соотношении ::= 2,6:1,4:1,0.

Характерной особенностью тектонических полей напряжений является разрушение горных пород в кровле и почве горизонтальных выработок, а также стенок вертикальных выработок. Величины напряжений и направление их действия оказывают существенное влияние на устойчивость выработок и, как следствие, на выбор типа крепи.

Поддержание выработок в большинстве случаев осуществлялось за счет применения железобетонной и монолитной бетонной крепей. Однако эти крепи не являются эффективными при возникновении горных ударов с высокой сейсмической энергией, что приводит к их разрушению. Особая роль отводится системе «крепь-порода», включающей применение, например, облегченных крепей, в том числе анкерных. В этом случае возникает необходимость исследования влияния технологии установки и конструкции анкерных крепей на распределение напряжений в приконтурном массиве при различных схемах их расположения для обеспечения эффективности и безопасности крепления выработок различного назначения. Таким образом, разработка и обоснование технологии крепления выработок в удароопасных условиях является актуальной научной проблемой, имеющей существенное значение в развитии экономики горнорудных предприятий.

Основные результаты диссертационной работы получены автором при проведении научно-исследовательских работ в соответствии с планами научных исследований институтов "ВостНИГРИ" и СибГИУ по темам: «Исследование и разработка штангового и комбинированного видов крепей для условий треста "Таштаголшахторудстрой" в качестве постоянных», «Исследование, разработка и внедрение технологии проведения и крепления горных выработок, узлов приготовления набрызгбетонной крепи, обеспыливающих средств заряжания шпуров и упрочнения пород методом инъекции, обеспечивающих повышение производительности труда в 1,3-1,5 раза», «Исследование и разработка рационального вида штанговой крепи и типовых паспортов крепления выработок большого сечения», «Исследование и промышленные испытания техники и технологии проведения и крепления горных выработок на рудниках Сибири в условиях повышенного горного давления», «Разработка и испытание технологии проведения протяженных и крепления подготовительно-нарезных выработок в условиях рудников Сибири», «Проведение и крепление горных выработок в удароопасных зонах железорудных месторождений» (1980-2009 гг.).

Целью работы является разработка и обоснование технологии взрывного закрепления выработок в удароопасных условиях, обеспечивающей повышение эффективности и безопасности проходческих работ.

Объектом исследования является приконтурный массив горных выработок, при креплении которого в удароопасных условиях применяют анкеры взрывного закрепления.

Предметом исследования является устойчивость горных выработок в зависимости от расположения анкеров относительно продольной оси выработки с учётом коэффициента устойчивости и типа динамического явления.

Идея работы состоит в использовании установленных закономерностей распределения напряжений в приконтурном массиве, в зависимости от угла расположения анкеров относительно продольной оси выработки, для разработки эффективной технологии взрывного закрепления выработок.

Задачи исследований:

– установить закономерности распределения напряжений в кровле выработки при различных схемах расположения анкерной крепи;

– определить влияние геометрических параметров трубчатых анкеров взрывного закрепления на их несущую способность;

– разработать конструкцию и технологию возведения трубчатых анкеров взрывного закрепления для обеспечения устойчивости выработок в условиях динамической активности;

– разработать методику определения устойчивости приконтурного массива и обосновать выбор облегченных видов крепей при проведении выработок в удароопасных условиях;

– разработать технологию совмещенного проведения и крепления выработок при взрывании.

Методы исследований включают: научные обобщения, теоретические и экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях с применением численных методов для установления закономерностей распределения напряжений в кровле выработки при различных схемах расположения анкеров; статистическую обработку и анализ натурных наблюдений для установления несущей способности облегченных видов крепей, исследование свойств горных пород и руд для определения категории удароопасности горных пород, а также проверку технологии крепления горных выработок в натурных условиях.

Научные положения, защищаемые автором:

– величины горизонтальных, вертикальных и касательных напряжений, обеспечивающие устойчивость выработки, находятся в соотношении :: =7:5:3 и определяются углом расположения анкеров, равным 70о относительно продольной оси выработки;

– повышение несущей способности трубчатых анкеров взрывного закрепления от 24 до 47 кН обеспечивается изменением соотношений величин внешнего и внутреннего радиусов с 1,17 до 1,27 и созданием Ф-образной плиты опорного элемента с образованием продольных каналов глубиной не менее 1/3 толщины стенки анкера;

– повышение устойчивости выработок в условиях динамической активности достигается за счёт применения трубчатых анкеров взрывного закрепления с элементами самонатяжения и податливости;

– выбор облегченных видов крепей при проведении выработок в геодинамических опасных районах рудников определяется коэффициентом устойчивости, изменяющимся в пределах 1,00Ку<0,45 и типом динамических явлений;

– повышение эффективности и безопасности при совмещенной технологии проведения и крепления горных выработок достигается установкой в первую очередь трубчатых анкеров взрывного закрепления с металлической решеткой в кровле, во-вторую – взрыванием шпуровых зарядов ВВ в забое выработки.

Отличие от результатов, полученных другими авторами, заключается в установлении влияний угла установки анкеров и применения решетчатой затяжки в виде сплошного полотна на устойчивость горных выработок, в возможности использования совмещенной технологии проведения и крепления выработок за счет применения трубчатых анкеров взрывного закрепления.