УДК 622.281(035.5)

Ли Ю.Г., Бахтыбаева А.С.

Российский Университет дружбы Народов, г. Москва, Россия

Разработка рациональных параметров крепления горных выработок в условиях рудника «Ушкатын-3»

Месторождение марганцевых и железных руд Ушкатын-3, расположено в Жана-Аркинском районе Карагандинской области. Месторождение «Ушкатын-3» АО «Жайремский ГОК» отрабатывается открыто-подземным способом. Прочность пород месторождения варьируют от 4 до 16 МПа. Такой интервал крепости пород вызывает определенную сложность при определении параметров крепления горных выработок. Процесс крепления капитальных и подготовительных выработок является одним из основных факторов влияющих на темпы проведения, который занимает от 25 до 50 % общего времени и затрат проходческого цикла. Принимаемые виды и параметры крепи зависят от многих факторов, таких физико-механические свойства горных пород, напряженно-деформированное состояние породного массива. При определении параметров крепления горных выработок важными исходными данными являются нагрузка на крепь смещения приконтурного массива. Их формирование представляет сложный геомеханический и физический процесс, протекающий в пространстве и времени. К настоящему времени разработаны различные подходы нахождения вышеотмеченных параметров, которые основываются на определенных моделях [1]. Существенным недостатком большинства применяемых методик для нахождения вышеотмеченных параметров является то, что принятые модели исследуемой среды не вполне адекватны реальному породному массиву недостаточно корректно отражают и не учитывается эволюционный характер развития зон разрушения с течением времени. В работе [2] сделана попытка устранения отмеченных недостатков. В её основу положены результаты исследований Цай Б.Н. в области механики и физики горных пород [3]. Результаты исследований реализованы в компьютерной программе «СИГМА2» [4]. Данный программный комплекс является научно-исследовательским инструментом, позволяющим изучать совместное влияние рядом пройденных подземных выработок на прилегающий породный массив, определять изолинии тангенциальных напряжений и оценивать его устойчивость с учётом временного фактора (рисунок 1). Исходя из размеров зон разрушения, определяют ожидаемые смещения и нагрузки, которые в дальнейшем используются при выборе и обосновании параметров поддержания горных выработок.

Рисунок 1 – Интерфейс программы «СИГМА2»

В результате исследования устойчивости горных пород были выделены следующие группы пород:

1 группа – весьма устойчивые породы. Сюда можно отнести марганцевые и железные руды, коренные породы. Коренные породы месторождения Ушкатын–3 не отличаются разнообразием. В основном они представлены разного вида известняками (Детритовые известняки-C₁t₁a, Известняки кремнистые-D₃fm₂в, Органогенный известняк с оруденением-D₃fm₂в, Известняки серыеD₃fm₂а, Известняки углисто-кремнистые D₃fm₁c, Известняки красноцветныеD₃fm₂в) по своим прочностным характеристикам они практически не отличаются друг от друга. Они имеют крепость по шкале профессора Протодьяконова от 12 до 14, малотрещиноваты, эти породы весьма устойчивы и не склонны к выветриванию;

2 группа – средней устойчивости. К этой группе относятся алевролиты-D₃dr, а также другие породы, если их крепость по шкале профессора Протодьяконова меньше 10 и при горизонтальном залегании они склонны к отслоениям. Сюда же следует относить трещиноватые известняки, и выветрелые железные руды.;

3 группа – средней устойчивости подверженные выветриванию. К ним относятся породы зоны коры выветривания, (глины, разложившиеся известняки, вишневые алевролиты) в целом данные породы устойчивы, но склонны к единичным вывалам;

4 группа – неустойчивые участки – (породы зон дробления, так называемые зоны разрывных нарушений, ширина таких зон, как правило, не превышает 4–6 метров. Породы в этих зонах интенсивно смяты разрывным нарушением и весьма трещиноваты. К четвертой группе следует относить и обводненные участки третьей группы.

Для определения оптимальных параметров крепления горных выработок были смоделированы условия их проведения во всех перечисленных группах пород.

Моделирование проведения выработки в первой группе пород показало, что вблизи контура выработки заметных зон разрушения не образуется (рисунок 2).

Рисунок 2 – Зоны неупругих деформаций при проведении выработки в породах первой группы

Глубина зоны разрушения в этом случае не превышает 0,05 – 0,1 м (рисунок 2). Стены выработки пройденной в таких условиях обладают естественной устойчивостью и не требуют крепления. Образование заколов могут быть в результате динамических нагрузок при производстве буровзрывных работ.

При проведении выработки по породам второй группы устойчивости ожидается образование зон неупругих деформаций, но их глубина не превышает 0,3 м (рисунок 3). При этом следует учитывать, что образование зон неупругих деформаций породного массива не всегда сопровождаются выволами породы.

Для обеспечения безопасности работ необходимо, закрепить выработку. Расчетами было установлено, что для обеспечения устойчивости выработки достаточно применять анкерную крепь в сочетании с сеткой рабица. При этом минимальная длина анкера – 1,5 м, а сетка установки анкеров 1х1 м.

Рисунок 3 – Зоны неупругих деформаций при проведении выработки в породах второй группы устойчивости

Глубина зоны неупругих деформаций вблизи контура подземной выработки при проведении ее в породах третьей группы устойчивости может достигать 1 м. При этом зона неупругих деформаций будет постепенно развиваться вглубь массива с течением времени (рисунок 4).

10³ – 10⁹ – изолинии зоны неупругих деформаций в различные моменты времени в секундах

Рисунок 4 – Зоны неупругих деформаций при проведении выработки в породах третьей группы устойчивости

В таких условиях анкерная крепь не может обеспечить необходимую безопасность эксплуатации выработки. Для крепления выработки целесообразно применять металлическую рамную крепь. Относительно небольшие зоны разрушения позволяют использовать крепь из СВП-22 или любую аналогичную по несущей способности с шагом 1 м.

Проведение горной выработки в породах четвертой группы устойчивости, подобно проведению горной выработки в сыпучей среде. То есть прочность пород снижается до нуля, а устойчивость обеспечивается лишь силами сцепления. В этой области ожидаются максимальные размеры зон разрушения – 1,5 м и более. Для обеспечения безопасной эксплуатации следует установить рамную крепь из СВП-22 шагом крепления 0,75 м.

Применение геомеханического комплекса «СИГМА2» позволяет выбрать необходимую конструкцию и оптимальные параметры крепи.

Список использованных источников

1 Баклашов И.В. Геомеханика: Учебник для вузов. В 2 томах. ТII. Геомеханические процессы. – М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 2004.

2 Цай Б.Н., Малахов А.А., Бахтыбаев Н.Б. Обоснование параметров крепления выработок с учетом срока их службы. Горный журнал Казахстана, №2 2007 г. (стр. 19-21).

3 Цай Б.Н. Термоактивационная природа прочности горных пород. Караганда: КарГТУ, 2007. – 204 с.

4 Цай Б.Н., Малахов А.А., Оленюк С.П., Бахтыбаев Н.Б. Разработка геоинформационного комплекса «Сигма». Труды международной научной конференции «Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан – 2030», 23–24 июня 2009 г. (стр. 134 – 136).