CC BY
29
24
Ю.В. Коровина
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Юфин А.П. Определение потерь напора при гидротранспорте мелких фракций угля по горизонтальным трубам. - Сб. «Гидравлика сооружений и динамика русел». - М.: Изд-во АН СССР, 1959. -126с.
2. Мучник В.С. Опыт подземной добычи угля гидравлическим способом и пути его совершенствования. - М.: Углетехиздат, 1956. - 224с.
3. Кнороз В.С. Движение гидросмесей в напорных трубопроводах и метод расчета. - М.: Известия ВНИИГ, т.30, 1941. - 256с.
4. Технические указания по расчету напорного гидравлического транспорта грунтов. - ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. - Л.: Энергия, 1967. - 45с.
5. Трайнис В.В. Параметры и режимы гидравлического транспортирования угля по трубопроводам. -М.: Наука, 1970. - 192с.
6. СмолдыревА.Е. Трубопроводный транспорт. - М.: Недра, 1980. 293с.
7. ШлихтингГ. Теория пограничного слоя. - М.: Издательство иностранной литературы, 1956. 528с.
8. Справочник по обогащению углей / Под ред. И.С. Благова, А.М. Коткина, Л. С. Зарубина. 2-е изд.
- М.: Недра, 1984. 614с.
□ Автор статьи:
Коровина Юлия Викторовна -аспирант каф. экологии и естествознания (Новокузнецкий филиал-институт КемГУ )
УДК 622.271.333:626:550.372
Е. В. Костюков, С. М. Простов, С. П. Бахаева
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОГЕННОГО МАССИВА ГИДРООТВАЛА
Значительная часть горнодобывающих предприятий Кузбасса разрабатывают месторождения каменного угля с 1950-60 гг. На современном этапе развития горные работы приближаются к конечной глубине отработки, а балансовых запасов остается на 10-15 лет эксплуатации. Дальнейшая работа таких предприятий зависит, главным образом, от освоения прилегающих участков, разработка которых в ряде случаев осложнена горно-геологическими или техногенными условиями. К неблагоприятным относятся территории, представляющие
собой замытые до проектных отметок и законсервированные гидроотвалы.
С целью освоения дополнительных запасов угля Кедров-ский угольный разрез с 2002 года ведет гидромеханизированный смыв намывных отло-
жений гидроотвала № 3. Для изучения состава, строения и свойств массива были выполнены инженерно-геологические и гидрогеологические изыскания, которые включали бурение трех скважин, отбор и лабораторные исследования монолитов намывных грунтов и последующую установку в скважинах датчиков порового давления для периодических наблюдений (рис. 1) [1].
Сеть датчиков порового давления представляет собой станцию гидрогеомеханическо-го мониторинга, которая предназначена для организации непрерывных наблюдений за изменением порового давления и развития опасных деформаций массива во время ведения гидромеханизированных работ [2]. Анализ эпюр распределения избыточного порового давления и инженерно-геологического
строения массива (рис. 1) показывает, что изменение статического напряженного состояния массива в районе скв. № 1 произошло в результате отсыпки ограждающей перемычки из скальных вскрышных пород разреза на поверхности гидроотвала [3]. Формирование статического напряженного состояния в районе скв. № 2 связано с наличием слоя дресвянощебенистого грунта мощностью более 20 м в верхней части разреза. В районе скв. № 3 наблюдается незначительное увеличение порового давления в средней части намывного слоя под действием собственного веса грунтов.
Анализ результатов гидро-геомеханического мониторинга позволяет оценивать напряженное состояние массива в отдельных точках в пределах сети наблюдательных скважин на
(ЦІ. і мш ограждающая перемычка
Рис. 1. Инженерно-геологические и гидрогеологические условия намывного массива гидроотвала № 3 (слева от скважин указана глубина установки датчиков порового давления, справа -эпюры полных, эффективных напряжений и порового давления, построенные по данным гидрогеологических наблюдений):
1 - техногенный грунт, представлен суглинком дресвянистым, твердым; 1а - насыпной грунт, представлен глыбовым и дресвяно-щебенистым грунтом; 1б - намывной грунт, представлен суглинком мягко и тугопластичной консистенции, насыщен водой; 5 - суглинок серого цвета, аллювиальный, полутвердой консистенции, насыщенный водой; 11 - аргиллит серый, выветрелый до глины твердой, очень плотный, маловлажный; 18 - скальный грунт, представлен аргиллитом прочным, трещиноватым;
а - полные напряжения; аэф - эффективные напряжения; Ри - поровое давление;
АР - избыточное поровое давление; РГ - гидростатическое давление
дату производства замера. Вместе с тем, интерес представляет непрерывный в пространстве и во времени прогноз напряженного состояния намывного массива гидроотвала и деформационных процессов в результате развития горных работ.
Для решения данной задачи авторами разработана численная геомеханическая модель. Анализ напряженно-
деформированного состояния массива выполнялся методом конечных элементов. Использовался традиционный подход, предусматривающий разбиение модели исследуемого объекта на непересекающиеся компоненты простой геометрии. Механическое поведение модели выражается с помощью значений искомых функций на множестве узловых точек элементов посредством решения соответствующих дифференциальных уравнений [4].
Типичный конечный элемент е определяется узлами I, у, т и т.д., а также границами в виде прямых линий (рис. 2). Смещения в любой точке элемента определяются вектором-
столбцом (Дх, у)}:
{Д(х,у)}=[к ]Ме =
8„
(1)
где компоненты N являются специальными функциями и должны быть выбраны так, чтобы при подстановке координат соответствующих узлов в уравнение (1) были получены соответствующие узловые смещения, а {3}е есть ряд узловых смещений данного элемента. Так например, в случае плоского напряженного состояния вектор-столбец
\п(х,у)\
1хх,у)\ характеризует горизонтальные и вертикальные смещения типичной точки внутри элемента, а компоненты
{Д }=
смещениям узла / .
Зная смещения во всех точках элемента, можно определить деформации е любого элемента. Результатом является соотношение, которое в матричном виде может быть записано следующим образом:
М=№)е, (2)
где [5] - матрица смещения, определяемая из уравнения (1) в зависимости от специальных интерполирующих функций N. Если принять функции В линейными, то деформации будут постоянными по всему элементу.
Для случая плоского напряженного состояния деформации определяют через смещения по известным соотношениям:
^ >={| Н!Х"
& }=
и
і
являются соответствующими
{у 41 №
( \ \ди ду
{ху }[гу + дх
дN дN
—и +—V
ду дх
где и, V - компоненты сил.
Материал на границах элемента может испытывать начальные деформации, которые вызываются изменением температуры, усадкой и т.д. Если эти деформации обозначить {е0}, то напряжения будут вызваны различием между реальными и первоначальными деформациями. В этом случае связь между напряжениями и деформациями будет описываться следующей зависимостью:
М=[° Х{е}-{е0 }), (4)
где [О] - матрица упругости, отражающая соответствующие свойства материала,
[О]=
Е
(1 + М)(1 - 2М)
1 - /и /и /и
/и 1 -и и
и и 1 -и
0 0 0
0
0
0
1 - 2/и 2
Е - модуль Юнга; /и - коэффициент Пуассона.
Для плоского напряженного состояния рассматривают три компоненты напряжения, соответствующие трем компонентам деформаций. Напряженное состояние каждого элемента описывается следующим образом:
ы=
^х ^х
-=М
ТхУ. У
. (5)
Выражение
{р}е =
р,
Я,-
т
определяет силы в узлах, которые эквивалентны граничным напряжениям и нагрузкам, распределенным по элементу. Каждая из сил {-Рг} должна содержать такое же число компонентов, как и соответствующие смещения в узлах {$■}, и должна действовать в соответствующих направлениях.
Распределенные нагрузки
Рис. 2. Плоское напряженное состояние области, разбитой на конечные элементы
{р} определяют как силы, действующие на единицу объема материала элемента, в направлениях, соответствующих направлениям смещений { / } в этом узле.
В случае плоского напряженного состояния:
и,
V,
где компоненты и и V соответствуют направлениям смещений
и и V; Х и У являются компонентами массовой силы.
Чтобы определить силы в узлах эквивалентными реальным граничным напряжениям и распределенным нагрузкам,
необходимо задать произвольное (виртуальное) смещение в узлах и приравнять внешнюю и внутреннюю работу, произведенную различными силами и напряжениями на этих переме-
Рис. 3. Алгоритм моделирования геомеханического состояния техногенного массива
х
Си .№1 ^ Г
Г~
\ /
' , ■' * І У~ ГЧЛ. ■ 111 у
—1—1—г~7 .. ^
і Г ¿. Л /'к ■
тгг
440
1430
1,0г+М
2.0с+00б
410
Скв.№
ЙРа
450
І440
430
420
410
1,0с+006
2,0с+006
Си«
II Ра
1,МХ)6
инк»
Рис. 4. Фрагменты аналитической модели распределения порового давления в техногенном массиве гидроотвала в районе стационарных наблюдательных гидрогеологических скважин №1 (а), №2 (б) и №3 (в)
а
б
в
щениях.
Принимая во внимание приведенные выше уравнения, можно получить соотношение описывающее силы в узлах любого элемента расчетной конструкции:
{Р}‘ }‘у + {Р ^ +{Р %„,
(6)
где {р - силы упругой де-
формации; {р }р - силы в узлах, возникающие за счет распределенных нагрузок; {р-
силы, возникающие от начальной деформации.
Целесообразно с целью повышения точности расчетов использовать экспериментально-аналитический метод исследования.
Разработанный авторами алгоритм моделирования приведен на рис. 3.
Началу моделирования предшествует выполнение следующих операций, заключающихся в обработке геологических и экспериментальных данных:
- составление масштабной модели массива;
- выделение различных геологических слоев и выбор модели их деформирования;
- расчет распределенных внешних нагрузок (в рассматриваемых выше условиях - от веса ограждающей перемычки и слоя дресвяно-щебенистого грунта в районе скв. № 2);
- определение граничных условий (нижняя граница модели на контакте намывных грунтов со скальным массивом считается неподвижной, конечные элементы у левой и правой границ модели наделены свойством "бесконечности" продольных размеров).
Следующий этап моделирования заключается в установлении диапазона изменения деформационных свойств грунтов (модуля Юнга Е, коэффициента Пуассона и) на основании результатов инженерно-
геологических изысканий.
Исходные характеристики закладывают в модель и производят вычисления порового давления воды в грунтах методом конечных элементов. Полученные значения порового давления сравнивают с данными натурных наблюдений в точках установки датчиков (рис. 1).
Если расхождение Д между расчетным и фактическим значением превышает установленный предел (Ддои = 5 %), то производят циклическую корректировку
исходных параметров (Е + АЕ), до тех пор, пока не выполнится требуемое условие (А < Адоп). Выполнение этого условия означает, что адекватность аналитической модели обеспечена, и дает возможность приступать к моделированию напряженно-
деформированного состояния массива.
Отдельные результаты выполненных исследований приведены на рис. 4.
В частности, в результате
выполненных расчетов установлено, что нагрузки от веса ограждающей перемычки обусловили формирование в намывном массиве зоны повышенного по-рового давления (рис. 4, а). Наиболее напряженное ядро этой зоны расположено в средней части под ограждающей перемычкой и смещено в сторону гидромеханизированного забоя из-за дополнительного пригруза намывного массива пульпой, сбрасываемой за ограждающую перемычку в течение трех лет (с 2002 по 2004 гг.). На формирование повышенного порового давления в
районе скв. № 2 (рис. 4, б) определяющее влияние оказывает слой дресвяного грунта мощностью около 23 м, представленный смесью намывных суглинков и обломков скальных вскрышных пород расположенного рядом Пихтовского отвала. Рядом с гидромеханизированным забоем № 4 (рис. 4, в) массив находится в более разгруженном состоянии, поэтому поровое давление в этом направлении заметно снижается.
В результате корректирования расчетных показателей по-рового давления по данными натурных наблюдений были
уточнены параметры численной модели намывного массива, что позволяет выполнить точный расчет напряжений и деформаций, в том числе при изменении расчетного профиля массива в результате ведения гидромеханизированных горных работ.
Реализация предложенного в настоящей статье подхода позволяет повысить точность прогноза деформационных процессов при экспериментальноаналитическом исследовании состояния геотехнических объектов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федосеев, А. И. Опыт отработки намывных четвертичных пород с площади бывшего гидроотвала №3 ОАО "Разрез Кедровский" / А. И. Федосеев, В. Р. Вегнер, С. И. Протасов, С. П. Бахаева // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004. - № 3. - С. 268-273.
2. Простов, С.М. Прогноз безопасного состояния намывного массива участка открытых горных работ на основе гидрогеологического мониторинга / С. М. Простов, Е. В. Костюков, С. П. Бахаева и др. // Вестник КузГТУ. - 2006. - № 5 - С. 12-16.
3. Бахаева, С. П. Исследование гидрогеомеханических процессов техногенных массивов / С. П. Бахаева, С. И. Протасов, Е. В. Костюков и др. // Вестник КузГТУ. - 2005. - № 3 - С.41-43.
4. Zienkiewicz, O. C., Taylor, R. L., 1989. The Finite Element Method, 4th Ed., Vol. 1. McGraw-Hill.
□ Авторы статьи:
Костюков Евгений Владимирович
- канд. техн. наук, науч. сотр. Кемеровского Представительства ВНИМИ
Простов Сергей Михайлович
- докт. техн. наук, проф. каф. теоретической и геотехнической механики
Бахаева Светлана Петровна
- канд. техн. наук, доц. каф. маркшейдерского дела и геодезии, зам. дир. НФ "КУЗБАСС-НИИОГР"
