Анализ влияния горного давления на горнотехническое сооружение в условиях подготовки запасов минерального сырья Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.441.53 М.А. Земляной

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ НА ГОРНОТЕХНИЧЕСКОЕ СООРУЖЕНИЕ В УСЛОВИЯХ ПОДГОТОВКИ ЗАПАСОВ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

Проведенный анализ влияния горного давления в массиве, вмещающего горную выработку показывает, что управляя технологическими параметрами технологических схем ведения горных работ, параметрами горнотехнических сооружений достигается управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород.

Ключевые слова: горная выработка, напряженно-деформированное состояние горных пород, приоткосный массив.

щ ш ри проведении горной выработ-

И ки в массиве горных пород и одновременной отработки запасов полезного ископаемого на вышележащих горизонтах массива вмещающего штольню протекают деформационные процессы, вызванные воздействием прилагаемой динамической и статической нагрузки. Для более точного определения зон проявления горного давления необходимо произвести деление видов нагружения на локальные участки и массив в целом.

В условиях ведения горных работ в породах кровли горной выработки возникают напряжения, вызванные проявлением свода естественного равновесия и опорным давлением. Взаимодействие данных напряжений определяют зону повышенных деформаций в кровле горной выработки. Кроме того, данная область включает в себя область ложной и непосредственной кровли, что в значительной степени снижает силу противодействия обрушению пород.

С учетом параллельной отработки месторождения на вышележащих горизонтах создаются локальные зоны напряженно-деформированного состояния массива горных пород (рисунок). Динамика ведения горных работ предполага-

ет изменение во времени и пространстве, а также величины зон проявления напряженно-деформиро-ванного состояния массива.

Кроме того, различают локальные зоны с динамическим и статическим напряжением, вызванные перемещением горно-добычного оборудования и массива полезного ископаемого (горных пород).

Перемещение рабочей зоны карьера ведет к снижению нагружения массива горных пород, вмещающего штольню. Вследствие чего, возникают зоны с релаксацией напряжения в кровле горной выработки. Кроме того, в приоткосном массиве горных пород возникают гравитационные напряжения, оказывающие снижение устойчивости массива, что ведет к обрушению горных пород, вмещающего устье горной выработки (штольни).

Управление напряженно-деформированным состоянием горных пород имеет тесную связь с параметрами открытых и подземных горнотехнических сооружений. Направление развития горных работ, календарный план отработки запасов полезного ископаемого влияет на напряженно-деформирован-ное состояние массива гор-

ных пород, вмещающего горную выра- ботку.

Схема проявления напряжений в массиве горных пород при совместной отработке запасов и проведении горной выработки (штольни)

Кроме того, параметры горной выработки имеют тесную связь с величиной и количеством локальных зон напряжений в кровле горной выработки [2].

Технологическая схема проведения и крепления горной выработки оказывает непосредственное влияние на напряженно-деформированное состояние массива горных пород, вмещающего штольню. Интенсивность проведения горной выработки имеет тесную связь с

опорным давлением и давлением свода естественного равновесия.

Управляя технологическими параметрами технологических схем ведения горных работ, параметрами горнотехнических сооружений достигается управление напряженно-дефор-мированным состоянием массива горных пород, вмещающего штольню. Кроме того, обеспечивается безопасность ведения горных работ на дневной поверхности и в подземных условиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Казикаев Д.М. Геомеханика подземной разработки руд: Учебник для вузов. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2005. - 542 с.: ил.

2. Шашенко О.Н. Пустовойтенко В.П. Механика горных пород: Підручник для

ВУЗів.К.:Новий друк, 2004.-400 с.іл. -Рос.

3. Ткачев В.А., Страданченко С.Г., Привалов А.А. Эффективные способы крепления и поддержания горных выработок на основе ресурсосберегающих технологий.- Ростов н/Д:Ред.ж «Изв.вузов. Сев.-Кавк. регион», 2005.-472 с. \ИШ

— Коротко об авторе

Земляной М.А. - кандидат технических наук, докторант кафедры Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

Южно-Российский государственный технический университет (НПИ), [email protected]

УДК 622.441.51 М.А. Земляной

ОБОСНОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ЗОН КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ КЛАСТЕРНОЙ МОДЕЛИ

Разработанный метод искусственного формирования локальных зон концентрации напряжений в кровле горной выработки на основе кластерной модели пространственного распределения напряжений в массиве горных пород позволяет производить интегрированную оценку напряженно деформированного состояния массива горных пород, вмещающего горную выработку в борту карьера.

Ключевые слова: кластерная модель, трещиноватость пород, напряженно деформированное состояние массива горных пород.

ногие авторы сходятся в том, что наиболее значительное влияние на устойчивость пород кровли горных выработок оказывают: прочность пород, метаморфизм, взаимодействие слоев пород различного типа и состава, мощность слоя непосредственной кровли, трещиноватость пород, состав и тип непосредственной кровли, площадь обнажения кровли, время обнажения кровли. Кроме того, обзор современных методов управления горным давлением показал, что практически все методы, применяемые в настоящее время на горных предприятиях, сводятся к моделям деформирования сплошной среды, не учитывающим взаимные движения структурных элементов горного массива.

В условиях проведения вскрывающих горных выработок в борту карьера происходит перераспределение первоначальных напряжений вокруг выработки, которое в свою очередь производит изменение напряженного состояния массивов пород, вызывая перераспределение значений и направлений действия сдвигающих и удерживающих сил.

Перемещаясь в пространстве, проведение выработки «гонит» впереди себя

волну опорного давления, оставляя за собой релаксацию напряжений, которая сменяется напряжением свода естественного напряжения. Продвигаясь в глубь горного массива, взаимодействие напряжения увеличивается. Таким образом, в кровле выработки происходят попеременные локальные колебания напряжений, формирующие временно стабильные структуры деформируемого скального массива. Локальные колебания напряжений формируют временные зоны концентрации деформаций в массиве горных пород. Таким образом, рассматривая данные процессы в комплексе (кластеризация - в терминологии Института динамики геосфер РАН, ИГД СО РАН и др.) разнонаправленных подвижек структурных элементов деформирующейся дискретной среды во временно стабильные образования, выделяемые по их однонаправленным подвижкам разработан метод искусственного формирования локальных зон концентрации напряжений в кровле горной выработки на основе кластерной модели пространственного распределения напряжений в массиве горных пород.

Схема кластерной модели пространственного распределения напряжений в массиве горных пород, вмещающих горную выработку (штольню)

Данный метод позволяет производить интегрированную оценку напряженно деформированного состояния массива горных пород, вмещающего горную выработку в борту карьера. Основным элементом модели является ячейка с поперечным сечением в виде треугольника. На основании математической модели, описывающей зоны концентрации напряжений, для каждой ячейки рассчитывается напряженно деформированное состояние, входящих в нее пород, а также определяется направление временного градиента.

На рисунке представлена схема кластерной модели пространственного распределения напряжений в массиве горных пород.

Применение данного метода позволит эффективно управлять напряженно деформированным состоянием массива горных пород, находящегося под действием изменяющихся во времени нагрузках, обусловленных перераспределением первоначальных напряжений породной толщи, вмещающих горную выработку.

1. Черняк И.Л. Повышение устойчивости подготовительных выработок. - М.: Недра, 1993. - 256 с.: ил.

2. Казикаев Д.М. Геомеханика подземной разработки руд: Учебник для вузов. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2005. - 542 с.: ил.

3. Балек А.Е. Управление напряженно-деформированным состоянием скального мас-

сива при подземной разработке рудных месторождений системами с обрушениями. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, 2007.

4. Казикаев Д.М. Комбинированная разработка месторождений: Учебник для вузов. -М.: Издательство Московского государственного горного университета, Издательство «Горная книга», 2008. - 360 с. ШХЗ

— Коротко об авторе

Земляной М.А. - кандидат технических наук, докторант кафедры Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

Южно-Российский государственный технический университет (НПИ), [email protected]

А

-------------------------------------------- © М.А. Земляной, 2010

УДК 622.441.54 М.А. Земляной

УПРАВЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННЫМ СОСТОЯНИЕМ МАССИВА В УСЛОВИЯХ ПОДГОТОВКИ ЗАПАСОВ МЕРГЕЛЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЦЕМЕНТА ПРИ ПОМОЩИ ШТОЛЕН (на примере Новороссийского месторождения мергеля)

На примере Новороссийского месторождения мергелей разработана модель пространственного распределения напряжений в кровле горной выработки (штольни), позволяющая собственным математическим аппаратом, описывать зоны концентрации напряжений в кровле горной выработки.

Ключевые слова: месторождение мергелей, рабочий борт карьера, массив скальных горных пород.

Яовороссийское месторождение мого общей мощностью свыше 450 мет-

мергелей представлено круто- ров с изменяющимся содержанием ос-

падающими телами полезного ископае- новных породообразующих элементов

(СаСО3, А^^ SiO2). Крепость пород слагающих массив варьируется от 3 до 8 по проф. М.М. Протодьяконову.

Особенностью производства цемента является использование сырьевой смеси, обеспечивающей заданные параметры глиноземного и силикатного модулей, которые в свою очередь формируются посредством концентрации вышеуказанных породообразующих элементов. Неравномерный характер распределения породообразующих элементов в запасах месторождения, влияющий на качественные характеристики мергеля и необходимость концентрации горных работ на благоприятных для разработки запасах определяют требования к выбору направления и порядка перемещения фронта горных работ уступов в плане и углубке.

Зачастую принятое направление ведения горных работ усложняет подготовку полезного ископаемого к выемке. Нагорное месторождение мергеля имеет естественный наклон дневной поверхности от 13 до 50 - 60 °, сложный рельеф местности, рабочая зона карьера имеет несколько добычных уступов, чем затрудняет доступ к необходимым запасам.

Подготовка запасов при помощи штолен с размещением шпуровых и скважинных зарядов, применяемых для сотрясательного взрывания, влечет за собой ослабление устойчивости рабочего откоса, перераспределение напряжений в массиве горных пород. Сложно становится обеспечивать устойчивость горных выработок, подготовленных к размещению зарядов ВВ. Кроме того, ведение горных работ на вышележащих уступах приводит к кратковременным динамическим нагрузкам от работы горно-добычной и транспортной техники, проведения массового взрыва, отработка полезного ископаемого вышележащих

уступов влечет за собой перераспределение нагрузки в кровле горных выработок. Разгрузка напряжений в выработку и потеря устойчивости одной штольни может привести к необратимым последствиям, связанных с потерей устойчивости значительной части рабочего борта карьера.

В таких условиях, при подготовке полезного ископаемого к отработке при помощи сотрясательного взрывания с проведением штолен первостепенное значение приобретает управление напряженно-деформированным состоянием горного массива, позволяющее как повышать устойчивость подземных выработок, так и при необходимости снижать ее, при проведении сотрясательного взрывания. Рациональность и надежность применяемых методов управления горным давлением во многом определяет безопасность эксплуатации подземных сооружений, устойчивость откосов рабочих бортов карьера и эффективность открытой и подземной геотехнологии в целом.

В работе [Казикаев Д.М. Комбинированная разработка рудных месторождений: Учебник для Вузов.-М.: Издательство МГГУ, Издательство «Горная книга», 2008. - 360 с.] проведенное изучение закономерностей деформации подработанных подземными камерами массивов бортов карьера показало, что произошло перераспределение напряжений в массиве борта. Наличие в борту пус-тот определило концентрацию максимальных напряжений не в районе поверхности скольжения (определение поверхности скольжения по методу Цимбаревича), а в районе меж-дукамерных целиков и потолочин камер.

При проведении в массиве откоса штолен, также происходит перераспределение напряжений в массиве

Загружение 1

Мозаика напряжений по Txz

Единицы измерения - т/м2

Рис. 1. Схема кластерной модели пространственного распределения напряжений в кровле горной выработки (штольни)

/УУ^А-А/чЛУ\А-А-Л/\ААА-А-А7\АААУ . . ■ . . . ■ _~_7

/Уу у у у'У'у у у у у' / -■■■■/ уу у-' ./ / у у

/

А/ч/Ч/У/У/Ч. - -- -- -- -- -- - .......

ЛЛЛЛ/УУУ . _____

-/ , ■ -/ ,■ , ■ I I

у' у ;

............ятаввввд

^—V ггггг^ггп.^ ■■■'■■•■ . • ■■■ ■■■ ■ ■■■ ■■■ . ■ ■■■■■■■■/

■■ ■ ■■ ■■ ■■ ■■••• ■ ■■ ■■ ▼

Загружение 1

Мозаика напряжений по Txz Единицы измерения - т/м2

Рис. 2. Векторы направлений пространственного перемещения пород, нагруженных собственным весом

-85

-70

-56

-42

-28

-14

-0.84

0.84

-85

-70

-14

-0.84

0.84

Рис. 3. Эпюра напряжений в кровле выработки на высоте 3-х метров

Рис. 4. Эпюра напряжений в кровле выработки на контакте с выработанным пространством

горных пород, причем характер и очередность потерь устойчивости отдельных его участков указывают на возможность управления этим процессом.

Таким образом, управление напряженно-деформированным состоянием массивов скальных горных пород, находящихся под действием изменяющихся во времени нагрузок, обусловленных перераспределением первоначальных напряжений породной толщи в окрестностях горных выработок и зон обрушения необходимо производить на основе кластерной модели пространственного распределения напряжений в кровле горной выработки.

Данная модель позволяет производить интегрированную оценку напряженно-деформированного состояния массива пород в кровле горной выработки, расположенной в борту карьера. Основным элементом модели является ячейка с поперечным сечением в виде треугольника.

Данные показаний приборов обрабатываются математическим аппаратом модели, описывающим зоны концентрации напряжений в кровле горной выработки. Для каждой ячейки рассчитывается напряженно-деформированное состояние, входящих в нее пород и обосновываются направления пространственного перемещения локальных зон массива горных пород в условиях

совместного ведения открытых и подземных горных работ.

В качестве примера использована модель со следующими входными данными: Е - 3,8 тс/м2(модуль деформации); V - 0,38 - (коэффициент Пуассона);

Н - 0,73315 (глубина сжимаемой толщи пород), м; - 1.6 тс/м3 (удельный вес породы).

Расчет выполнен программным комплексом "ЛИРА". В основу расчета положен метод конечных элементов в перемещениях.

На рис. 1 представлена схема кластерной модели пространственного распределения напряжений в кровле горной выработки.

Данные показаний приборов обрабатываются математическим аппаратом модели, описывающим зоны концентрации напряжений в кровле горной выработки. Для каждой ячейки рассчитывается напряженно-деформированное состояние, входящих в нее пород и обосновываются направления пространственного перемещения локальных зон массива горных пород в условиях совместного ведения открытых и подземных горных работ.

1. Казикаев ДМ. Комбинированная разра-

ботка месторождений: Учебник для вузов. -М.: Издательство Московского государственного горного университета, Издательство

«Г орная книга», 2008. - 360 с.

На рис. 2. представлено направление пространственного перемещения пород, входящих в ячейки кластерной модели, нагруженных собственным весом.

На высоте трех метров кровли наблюдается максимальная концентрация напряжений в размере 10,34 т/м2 (рис.

3.), тогда как на границе кровли и выработанного пространства величина напряжений составляет 19,79 т/м2 (рис.

4.).

Анализ результатов показал, что концентрация напряжений на контакте пород и выработанного пространства значительно возрастает, кроме того из рис. 1 и рис. 2 видны характер распределения напряжений и направление векторов сил перемещения локальных зон в кровле горной выработки. Учитывая вышесказанное можно констатировать, что технологическое управление напря-женно-дефор-мированным состоянием горного массива, определяющего параметры зоны концентрации напряжений при проведении одиночных выработок, можно достичь посредством расположения наиболее полной информации о протекании процессов усиления и релаксации напряжений в горном массиве.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Казикаев Д.М. Геомеханика подземной разработки руд: Учебник для вузов. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2005. - 542 с.: ил. ЕШ

— Коротко об авторе -------------------------------------------------------

Земляной М.А. - кандидат технических наук, докторант кафедры Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

Южно-Российский государственный технический университет (НПИ), [email protected]