На шахтах Североуральского бокситового бассейна разработка месторождений ведется на глубинах 900-1000 м и планируется проектирование и отработка новых горизонтов на глубинах 1500-2000 м. На больших глубинах резко усложняются горно-геологические условия отработки ме сторождений, усиливаются динамические формы проявлений горного давления. Горные удары возникают при определенном сочетании горно-геологических и горно-технических условий. Эти сочетания крайне разнообразны и связаны с влиянием многих факторов, которыми определяются не только возникновение горных ударов, но также их сила и характер воздействия на горные выработки. Было проведено обследование состояния горных выработок шахт Североуральского бокситового бассейна с целью определения соответствия применяемых видов и параметров крепи горно-геологическим и горно-техническим условиям.
На основе закономерностей изменения параметров поля динамических напряжений при взаимодействии сейсмических волн с выработкой сформулированы требования к сейсмостойкой крепи выработок в зонах влияния горных ударов и массовых взрывов. Выполнена оценка работоспособности традиционных видов анкеров при динамических нагрузках. Оптимальной конструкцией крепи выработок удароопасных участков признана комбинированная крепь из сталеполимерных или железобетонных анкеров со сплошным заполнением скважин закрепляющим составом, усиленная кустами длинных (до 3,5 м) железобетонных анкеров в месте выхода волн на контур выработки. Длина анкеров выбирается по условию перекрытия зоны растягивающих напряжений.
Определены параметры динамнческнх явлений (ДЯ), влияющие на сейсмостойкость подземных сооружений. Показано, что основными исходными данными для определения скорости колебаний в массиве являются максимальная энергия ожидаемого динамического явления и расстояние от контура выработки до его очага. Расстояние от контура выработки до центра ДЯ принимается в зависимости от расположения выработки относительно зоны повышенной сейсмической активности. В зонах, реально опасных по динамическим проявлениям горного давления, расстояние до очага ДЯ принимается с учетом размеров области разуплотненных пород с пониженными напряжениями и размеров зоны повышенных напряжений (опорного давления), образующихся вокруг выработки. Установлены закономерности распределения динамических напряжений вокруг выработки в зависимости от расстояния до центра ДЯ и энергии горного удара. При помощи компьютерной программы TABLE CURVE 2D выявлена гиперболическая зависимость, которая использована для расчета динамических напряжений при оценке устойчивости горных выработок и выборе параметров сейсмостойкой крепи для капитальных и подготовительных горных выработок шахт Североуральского бокситового бассейна.
Выполнен анализ устойчивости горных выработок, определены особенности нарушений устойчивости пород в приконтурной зоне массива в зависимости от типа и энергии динамических явлений, характер распределения динамических напряжений. Составлена энергетическая классификация динамических явлений, показывающая характер воздействия динамических явлений на горные выработки. Анализ динамических проявлений горного давления показал, что при динамических явлениях обоих типов зона нарушения массива пород значительно превышает размеры очаговой зоны. Вокруг выработок глубоких рудников могут иметь место зоны дезинтеграции. Формирование этих зон вокруг выработок в предельно напряженных массивах происходит в результате действия статических окружных тангенциальных напряжений вблизи контура выработок и динамических воздействий от горных ударов и массовых взрывов путем хрупкого разрушения и расслоения приконтурного массива.
Развитие горно-рудной промышленности связано с разработкой месторождений на больших глубинах в сложных горно-геологических условиях. Ряд крупных горно-добывающих предприятий России уже достиг глубин отработки месторождений в 1000-1500 м, глубина проектируемых Североуральских рудников составляет 1500-2500 м. Для глубоких рудников важной проблемой является выбор оптимального варианта вскрытия и транспортировки полезного ископаемого на поверхность. В работе рассмотрены три варианта вскрытия глубоких горизонтов шахты «Красная Шапочка» ОАО «Севуралбокситруда»: вскрытие глубоких горизонтов с углубкой существующих вертикальных стволов, ступенчатая схема вскрытия уклонами с базовым горизонтом -860 м, ступенчатая схема вскрытия слепыми вертикальными стволами с базовым горизонтом -860 м и устройством подземных копров. Выполнена технико-экономическая оценка наиболее рациональных вариантов. Анализ результатов показал, что объемы горно-капитальных работ по варианту со вскрытием слепыми уклонами больше на 17120 м 3 при стоимости выемки на поверхность 1 м 3 породы, включая общешахтные расходы, 2350 руб. Второй варинт в приближенном стоимостном выражении превысит третий на сумму 40232000 руб. Полученная сумма составляет примерно третью часть годового финансирования горнокапитальных работ для ОАО «Севуралбокситруда». Следовательно, по техническим и экономическим показателям целесообразно вскрытие глубоких горизонтов по ступенчатой схеме слепыми вертикальными стволами с базовым горизонтом -860 м и устройством подземных копров.
Натурными наблюдениями за смещениями пород вокруг подготовительных и очистных выработок удароопасных участков шахт субра установлен эффект расслоения кровли выработок и очистных камер под действием сейсмических волн. Смещения прослеживаются на глубину до 4 м и прирастают практически мгновенно, в момент горного удара. Моделирование процесса взаимодействия плоской прямой волны с выработками прямоугольной, сводчатой и шатровой форм поперечного сечения показало, что вероятность достижения предельного состояния вмещающих пород вследствие максимальной разности главных напряжений у выработок прямоугольной и шатровой форм выше. На основе изучения динамики сейсмических напряжений и закономерностей деформирования вмещающих пород разработаны конструкции усиления упрочняющей штанговой крепи кровли камер и сопряжений пластовых выработок глубокими железобетонными анкерами.
Рассмотрено влияние взрывных волн на устойчивость пород в горных выработках. Анализируются результаты математического моделирования поля динамических напряжений, созданного в массиве взаимодействием волн с выработкой. Исследовано поле напряжений под влиянием коротких взрывных волн. Основу математической модели, разработанной В.В.Карпенко и Г.А.Колтоном, составляют уравнения динамического равновесия для идеально упругой среды, дополненные граничными и начальными условиями для соответствующих компонент тензора напряжений. Система пяти уравнений решалась численно методом С.К.Годунова. Исходные данные приняты по условиям разработки руд на руднике «Северный»: диаметр скважины 76 мм, тип ВВ - гранулит АС-8. Рассмотрен конкретный случай влияния взрыва на расстоянии 10 м от заряда до кровли штрека (F = 370). Параметры эпюры фазы сжатия прямой упругой волны определены по аналитическим зависимостям для взрыва цилиндрического заряда: амплитуда а 0 = 9,6 МПа, период f = 1,2 мс, скорость Ci = 4500 м/с. Показано, что со стороны падения прямой волны отраженная и дифрагированные волны создают в массиве обширную зону растягивающих радиальных напряжений с максимумом до 0,6 а 0 на расстоянии от контура (0,8-1)/?. В боковых относительно хода волны областях взрыв вызывает концентрацию тангенциальных сжимающих напряжений до 1,6 <т 0 . Дана оценка причин разрушения выработок энергией динамических явлений. Помимо динамических сжимающих и растягивающих напряжений, на устойчивость выработок влияют многократная повторяемость взрывов и импульсная нагрузка-разгрузка массива. Дана оценка критериев устойчивости пород на контуре выработки при совместном действии статических и динамических напряжений.
