Разработка технологии проведения и крепления горной выработки в зоне тектонически-ослабленных пород
Р.Ш. Насыров1, А.В. Третьяк1, С.С. Неугомонов2, А.М. Мажитов2
1 Донской ГОК (филиал АО «ТНК «Казхром»), г. Хромтау, Республика Казахстан
2 Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск, Российская Федерация
Горная Промышленность №3 / 2024 стр. 126-130
Резюме: Наличие тектонически-ослабленных и нарушенных зон сопровождается снижением скорости проходки подземных выработок и безопасности ведения горных работ. Как правило, такие зоны ограничены вертикальными и субвертикальными нарушениями, способствующими ослаблению и потере устойчивости породного и рудного массива. Нарушение естественного состояния, в частности проведение горной выработки, провоцирует необратимые деформации за счет перераспределения и концентрации напряжений на приконтурный более жесткий породный массив. Причем в массиве самой тектонической зоны не образуется значительных напряжений, обусловленных его обрушением. Поэтому при разработке решений по проведению и креплению выработок в тектонической зоне породный массив должен рассматриваться как ослабленный и сильно раздробленный с несвязными структурными блоками. Гранулометрический состав породного массива тектонической зоны изменяется в широком диапазоне – от нескольких до десятка сантиметров. В связи с этим представленная в работе технология проведения и крепления выработок учитывает возможное свободное обрушение несвязного мелкоблочного вмещающего породного массива. В работе рассмотрены физико-механические характеристики напряженно-деформированного состояния горного массива тектонически-ослабленной зоны и приконтурных вмещающих пород и на основе этого предложена технология проходки и крепления подземных горных выработок.
Ключевые слова: тектонически-ослабленная зона, проходка выработок, устойчивость массива, комбинированная крепь, многоуровневое крепление
Для цитирования: Насыров Р.Ш., Третьяк А.В., Неугомонов С.С., Мажитов А.М. Разработка технологии проведения и крепления горной выработки в зоне тектонически-ослабленных пород. Горная промышленность. 2024;(3):126–130. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-3-126-130
Информация о статье
Поступила в редакцию: 03.04.2024
Поступила после рецензирования: 16.05.2024
Принята к публикации: 18.05.2024
Информация об авторах
Насыров Равиль Шаукатович – начальник шахты «Десятилетия независимости Казахстана», Донской ГОК (филиал АО «ТНК «Казхром»), г. Хромтау, Республика Казахстан.
Третьяк Анатолий Викторович – начальник научноинженерного центра Донской ГОК (филиал АО «ТНК «Казхром»), г. Хромтау, Республика Казахстан.
Неугомонов Сергей Сергеевич – кандидат технических наук, доцент кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск, Российская Федерация
Мажитов Артур Маратович – доктор технических наук, доцент, профессор кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Введение
Проблема проходки и крепления подземных выработок, находящихся в тектонически-ослабленных зонах, является актуальной научно-практической задачей, направленной на обеспечение безопасности при ведении горных работ в нарушенных и неустойчивых породах. Исходя из природных геоструктурных характеристик рассматриваемых зон выбор технологии проходки и типа крепления должен учитывать следующие факторы [1–7]:
– интенсивное осыпание забоя и кровли после проходки выработки;
– кратковременное сохранение устойчивости горного массива (менее 4 ч);
– конструктивные элементы крепи испытывают нагрузку от веса обрушенного породного массива.
В качестве примера рассмотрены тектонически-нарушенные зоны в пределах рудных тел шахты Десятилетия независимости Казахстана (г. Хромтау, Казахстан). Как показано на рис. 1, зоны ограничены вертикальными и субвертикальными нарушениями, способствующими ослаблению и потере устойчивости породного и рудного массива.
Рис. 1 Расположение тектонически- ослабленных зон
Fig. 1 Location of the tectonically weakened zones
Результаты
На основе анализа горно-геологических характеристик массива и принятых допущений разработана многоуровневая комбинированная технология крепления для обеспечения устойчивости сильнотрещиноватого несвязного (грунтоподобного) массива. Тип и состав элементов комбинированной крепи представлены в табл. 1.
Таблица 1 Конструктивные параметры многоуровневой комбинированной крепи
Table 1 Structural parameters of the multi-tiered combined support
Разработанная технология и конструкция представленного вида крепи увязываются с технологическим циклом проходки выработки и состоят из последовательности выполнения следующих операций и процессов. Первоначально производится бурение разведочной скважины на глубину не менее 15 м до пересечения с ослабленной зоной. Разведочное бурение выполняется для изучения и уточнения горно-геологических условий перед началом проходческих работ. На втором этапе производится непосредственно крепление, которое начинается не менее чем за 5 м до пересечения с породами тектонически-ослабленной зоны (расстояние до границы зоны определяется разведочным бурением). Крепления выполняются уровнями в следующей последовательности:
– установка фрикционных анкеров (SS46) длиной 3,0 м под углом вверх на 10–15°, представляющих собой опережающее крепление;
– установка решетчатой фермы непосредственно у груди забоя для последующего тросового крепления;
– подвигание забоя выработки на 1 м в разрыхленном массиве тектонической зоны;
– укладка слоя фиброармированного торкретбетона толщиной не менее 25 мм на груди забоя и не менее 50 мм в кровле и бортах выработки для предотвращения осыпания горной массы. При необходимости данный вид работ производится поэтапно во время зачистки забоя;
– установка сварной сетки в кровле и бортах с помощью прижимных болтов к фрикционным анкерам SS46;
– установка тросовых анкеров в бортах и кровле выработки, которые привязываются к ранее установленным решетчатым фермам, расположенным на расстоянии 1,0 м от груди забоя;
– нанесение слоя фиброармированного торкретбетона толщиной 100 мм для изоляции головок анкеров, сетки и решетчатой фермы.
Далее цикл проходки выработки повторяется. Основным отличием от существующих способов проходки и крепления выработок является наличие решетчатых ферм, которые устанавливаются с шагом 1,0 м по мере подвигания забоя. Представленный способ крепления выработки продолжается на расстоянии 5 м после выхода из тектонически-ослабленной зоны.
Рис. 2 Рекомендуемая форма горной выработки
Fig. 2 Recommended shape of the mine workings
Требуемые эксплуатационные характеристики разработанного способа крепления достигаются при строгом соблюдении вышеуказанной последовательности операций с регулярным проведением мониторинга состояния налегающего массива. При возведении крепи по данной технологии формируются определенные требования и рекомендации:
1. При проходке параллельных штреков для сохранения устойчивости междуштрекового целика необходимы дополнительный мониторинг деформаций горного массива и усиленное крепление выработки в зоне тектонического ослабления.
2. Проходка и крепление выработки тектоническиослабленной зоны снижают интенсивность подготовительных работ, что должно быть учтено при составлении графика организации работ.
Исходя из физико-механических характеристик породного массива, слагающего тектонически-ослабленную зону, велика вероятность осыпания, вплоть до обрушения, несвязных разрыхленных пород в кровле и бортах выработки даже после ее проходки и крепления. В связи с этим крепление должно обеспечивать устойчивость выработки при статической нагрузке от налегающих пород. Статическая нагрузка на выработку рассчитывается по методу Терцаги [8–10], согласно которому в выработках на значительной глубине в ослабленном массиве интенсивность нагрузки на кровлю выработки оценивается по глубине арочного влияния, которая обусловлена геометрией выработки.
Рис. 3 Схема расчета нагрузок на крепь
Fig. 3 A schematic drawing for load calculations on the rock support
Принцип арочного влияния заключается в способности ослабленного массива переходить в состояние самоподдерживающегося на определенной высоте над выработкой за счет сил трения, действующих по границе пород (рис. 3) [11; 12]. В физическом смысле принцип определяет способность пород над выработкой передавать свой вес на породы по обе стороны от выработки. Критерием выбора крепления на ослабленных участках является наличие достаточной опорной устойчивости для удержания подработанной породы с коэффициентом запаса равным 1,5.
С учетом результатов выполненной оценки нагрузки по методу Терцаги рекомендованы к применению следующие конструктивные элементы многоуровневого крепления:
1. Одноканатные тросовые анкеры и фрикционные анкеры типа SS46;
2. Фиброармированный торкретбетон со следующими параметрами:
– 8-часовая прочность на сжатие – 5 МПа;
– 28-суточная прочность на сжатие – 35 МПа;
– коэффициент поглощения энергии RDP на 28 сутки – 450 Дж;
3. Сварная сетка диаметром 8 мм;
4. Решетчатые фермы – 4-арматурные №140 диаметром 20 мм.
По результатам моделирования высота разрыхленного материала рассчитывалась с учетом модификатора Hp ult, равного 0,73, и составила 8 м над штреком. Для 8-метровой глубины разрыхления необходимы тросовые анкеры длиной 9,5 м с шагом 1,0 м по квадратной сетке с требуемым коэффициентом запаса 1,5. Сводный расчет параметров крепления приведен в виде графика на рис. 4. Такая длина тросовых анкеров является технологически сложной для установки, поэтому для обеспечения соответствующей расчетным параметрам нагрузки крепления пород ослабленной зоны рассматривается арочная крепь.
Рис. 4 Зависимость необходимой длины тросового анкера от сетки установки
Fig. 4 The dependence of the required cable bolt length on the installation grid
В качестве мер по снижению риска нарушения устойчивости выработки предлагается использовать опережающее упрочнение приконтурного массива за счет дополнительной установки радиальных фрикционных анкеров (рис. 5) с последующим нанесением фиброармированного торкретбетона 1.
Рис. 5 Схема опережающей крепи
Fig. 5 A schematic view of the advance support
После проходки и возведения крепи в тектонически-ослабленной зоне регулярно проводится контроль качества установки крепи и определение соответствия параметров крепления и формы выработок. Позиции, входящие в контроль качества, приведены в табл. 2.
Таблица 2 Позиции контроля качества возведения крепи при проходке горных выработок в ослабленных и нарушенных зонах
Table 2 Locations of the quality control stations for support installation when driving mine workings in weakened and disturbed zones
Заключение
В заключение необходимо отметить, что в вопросах по оптимальному управлению процессом проходки в сложных горнотектонических условиях обязательно учитывать обобщенные вышеприведенные мероприятия:
– допускать изменение геометрии горных выработок до полного арочного профиля;
– использовать обязательное опережающие крепление;
– уходка забоя должна быть принята не более 1,0 м;
– обязательное нанесение армированного фиброволокном торкретбетона путем набрызгивания;
– для предотвращения осыпания материала следует предусмотреть крепление забоя путем набрызгивания слоя фиброармированного торкретбетона толщиной 25 мм в каждом проходческом цикле;
– через каждые 1,0 м предполагается устанавливать решетчатые фермы.
Список литературы
1. Алексеев А.В., Иовлев Г.А. Влияние неоднородности массива на устойчивость проходческого забоя при строительстве метрополитена. Международный научно-исследовательский журнал. 2017;(8-3):6–14. https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.62.007 Alekseev A.V.1, Iovlev G.A. Influence of the inhomogeneity of the solid mass on the stability of the mine working during the construction of the subway. Mezhdunarodnyi Nauchno-Issledovatelskii Zhurnal. 2017;(8-3):6–14. (In Russ.) https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.62.007
2. Криницын Р.В. Напряженно-деформированное состояние массива горных пород при отработке месторождений Урала. Горная промышленность. 2022;(5):79–82. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-5-79-82 Krinitsyn R.V. Stress-deformed state of the rock mass in the development of deposits in the Urals. Russian Mining Industry. 2022;(5):79–82. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-5-79-82
3. Кузьмин С.В., Шнайдер И.В., Кыштымов И.В. Выявление опасных зон при проходке подготовительных выработок в сложных горно-геологических условиях. Горный журнал. 2024;(1):45–49. https://doi.org/10.17580/gzh.2024.01.07 Kuzmin S.V., Shnaider I.V., Kyshtymov I.V. Detection of hazardous zones in development headings in difficult geological conditions. Gornyi Zhurnal. 2024;(1):45–49. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2024.01.07
4. Левин Л.Ю., Семин М.А., Паршаков О.С. Совершенствование методов прогнозирования состояния ледопородного ограждения строящихся шахтных стволов с использованием распределенных измерений температуры в контрольных скважинах. Записки Горного института. 2019;237:268–274. https://doi.org/10.31897/PMI.2019.3.274 Levin L.Y., Semin M.A., Parshakov O.S. Improving methods of frozen wall state prediction for mine shafts under construction using distributed temperature measurements in test wells. Journal of Mining Institute. 2019;237:268–274. https://doi.org/10.31897/PMI.2019.3.274
5. Арыстан И.Д., Абеуов Е.А., Абдрашев Р.М., Матаев А.К. Крепление горизонтальных горных выработок в условиях шахт Донского ГОКа. В кн.: Гвоздкова Т.Н. (ред.) Современные тенденции и инновации в науке и производстве: сб. материалов 8-й междунар. науч.-практ. Конф., г. Междуреченск, 3–4 апр. 2019 г. Междуреченск: Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева; 2019. С. 126.1–126.7.
6. Мажитов А.М., Пыталев И.А., Доможиров Д.В. Боровиков Е.В., Струков И.Н. Метод одностадийной проходки восстающего при одновременном формировании отрезного компенсационного пространства. Рациональное освоение недр. 2022;(5):46–51. Mazhitov A.M., Pytalev I.A., Domozhirov D.V., Borovikov E.V., Strukov I.N. Single-stage rising method with the simultaneous formation of a cutoff compensation space. Ratsionalnoe Osvoenie Nedr. 2022;(5):46–51. (In Russ.)
7. Лисковец А.С., Тациенко В.П., Мешков А.А. Направления развития и совершенствования тампонажной крепи. Горная промышленность. 2020;(2):88–93. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2020-2-88-93 Liskovets A.S., Tatsienko V.Р., Meshkov A.А. Directions of development and improvement of grouting support. Russian Mining Industry. 2020;(2):88-93. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2020-2-88-93
8. Дашко Р.Э., Каган А.А. Механика грунтов в инженерно-геологической практике. М.: Недра; 1977. 237 с.
9. Proctor R.V., White T.L. Rock tunneling with steel supports with an introduction to tunnel geology. Youngstown, Ohlo; 1946. 271 p.
10. Овсюченко А.Н., Трофименко С.В., Мараханов А.В., Карасев П.С., Рогожин Е.А., Имаев В.С. и др. Детальные геолого-геофизические исследования зон активных разломов и сейсмическая опасность Южно-Якутского региона. Тихоокеанская геология. 2009;28(4):55–74. Ovsyuchenko A.N., Marakhanov A.V., Karasev P.S., Rogozhin E.A., Trofimenko S.V., Nikitin V.M. et al. Detailed geologicalgeophysical studies of active fault zones and the seismic hazard in the South Yakutia region. Russian Journal of Pacific Geology. 2009;3(4):356–373. (In Russ.) https://doi.org/10.1134/S1819714009040046
11. Еременко В.А., Гахова Л.Н., Лушников В.Н., Есина Е.Н., Семенякин Е.Н. Формирование зон концентрации высоких напряжений при разработке месторождений с гравитационно-тектоническим исходным напряженным состоянием массива горных пород. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013;(9):5–16. Eremenko V.A., Gakhova L.N., Louchnikov V.N., Esina E.N., Semenyakin E.N. Initiation of higher stress zones in mining under gravitational tectonic stresses of the intact rock mass. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2013;(9):5–16. (In Russ.)
12. Козырев А.А., Семенова И.Э., Аветисян И.М. Геомеханическое обоснование выемки запасов глубоких горизонтов Кукисвумчоррского месторождения. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017;(4):143–155. Kozyrev A.A., Semenova I.E., Avetisyan I.M. Geomechanical substantiation of deep-level mining at Kukisvumchorr deposit. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2017;(4):143–155. (In Russ.)
