Исследование характера распределения напряженно-деформированного состояния горнорудного массива в окрестностях отрабатываемых сближенных слепых залежей на железорудных месторождениях алтаесаянской складчатости Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© В.О. Шсховпова, 2014

УДК 622.027 В.О. Шеховцова

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОРУДНОГО МАССИВА В ОКРЕСТНОСТЯХ ОТРАБАТЫВАЕМЫХ СБЛИЖЕННЫХ СЛЕПЫХ ЗАЛЕЖЕЙ НА ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ АЛТАЕ-САЯНСКОЙ СКЛАДЧАТОСТИ

Методами физического моделирования исследовано напряженно-деформированное состояние горнорудного массива в окрестностях отрабатываемых сближенных слепых залежей, определены зависимости разрушающей нагрузки, напряжений и вертикальных смещений от площади и количества целиков.

Ключевые слова: слепые сближенные рудные залежи, напряженно-деформированное состояние массива, физическое моделирование, эквивалентные материалы, параметры очистных камер.

В настоящее время основная часть разведанных запасов нижележащих горизонтов месторождений Горной Шории представлена слепыми рудными залежами.

В большинстве случаев слепые залежи находятся близко к друг другу и их зоны опасных сдвижений имеют взаимное влияние. Такое положение приводит к необходимости учитыва-ния сближенности слепых рудных тел при разработке, что ранее не осуществлялось.

Разработка слепых рудных тел высокопроизводительными системами с массовым обрушением (т.е. с обрушением руды и вмещающих пород) предполагает обрушение пород кровли. Если слепые рудные тела залегают на небольшой глубине или налегающие породы неустойчивые, то полное их обрушение происходит в естественных условиях. Разработка слепых залежей, залегающих в устойчивых породах на больших глубинах, связана со сложностью управления

обрушением кровли - естественного самообрушения налегающих пород не происходит и в результате выпуска руды образуются пустоты значительных объемов. Такое состояние горного массива и земной поверхности является опасным, так как создаётся угроза промышленной и экологической безопасности из-за внезапного обрушения подработанных горных пород и земной поверхности.

Исследование характера распределения напряженно-деформированного состояния горнорудного массива в окрестностях отрабатываемых сближенных слепых залежей дает возможность обосновать способ управления состоянием массива и параметры технологии отработки.

Для исследования характера распределения напряженно-деформированного состояния горнорудного массива использован метод физического моделирования на эквивалентных материалах.

Исходными данными для подбора эквивалентных материалов послужили результаты исследования физико-механических свойств пород и руд Шерегешевского месторождения ВостНИГРИ [1].

Средние значения реального породного массива характеризуются следующими показателями: предел прочности при одноосном сжатии осж= 205,7 МПа; предел прочности при растяжении ор= 30,5 МПа; сцепление т0= 40 МПа; угол внутреннего трения ф= 47о; плотность в массиве у= 3,0 т/м3.

Подбор эквивалентного материала осуществлялся по методике Г.Н. Кузнецова [2]. В качестве эквивалентного материала принята двухкомпонентная смесь: гипс -1,7% и инертная пыль - 88,3% (по объему). Отношение массы воды к массе смеси 5:1. Модель в масштабе 1:500.

Стенд для моделирования отработки слепых сближенных рудных залежей состоял из емкости для эквивалентного материала с двумя боковыми стенками, скрепленных четырьмя стяжками, с передней съемной и задней стенками, днища и штампа металлического.

Цель лабораторных исследований отработки слепых сближенных рудных залежей заключалась в установлении методами физического моделирования закономерностей деформирования породного массива от толщины породного прослоя, величины пролета выработанного пространства и порядка отработки блоков. По определенной сетке в породном массиве устанавливали марки для фиксации подвижек в процессе моделирования.

Подготовленную для испытания модель устанавливали под пресс ИК - 500.01. Для создания равномер-

ной нагрузки по площади блоков сверху укладывали металлический штамп. Нагрузка на модель и процесс разрушения её фиксировалась на мониторе компьютера, а съемка процесса испытания осуществлялась фотокамерой NIKONCOOL - PIX 5600, которая перемещалась вместе с подвижкой стенда. Необходимое и достаточное количество опытов и обработка экспериментов осуществлялась на основе известных положений математической статистики и рекомендаций по её применению в горном деле [3]. Каждый опыт повторялся не менее трех раз.

На рис. 1 представлены модели после испытаний на прессе.

Схемы исследуемых моделей представлены в табл. 1. Для каждой схемы устанавливалась разрушающая нагрузка (Р, кН) и вычислялось среднее напряжение (оср, МПа).

Для количественной оценки параметров разрушения пород проведен анализ деформаций контура камер (табл. 2)

В результате обработки экспериментальных данных получены эмпирические зависимости разрушающей нагрузки от отношения горизонтальной площади камер Бк к горизонтальной площади модели Бм (рис. 3) и напряжения в модели о, МПа от отношения горизонтальной площади породных прослоев (целиков) Бп.п = 1 - Бк/ Бм (рис. 3).

При увеличении отношения горизонтальной площади камер к горизонтальной площади модели разрушающая нагрузка снижается по зависимости вида

р=_1

с

0,0415 + 0,13-^ С

1 1 III II 11 1.1 и ш п и IV щ ц ь .., , ,„

I; Ш ¿В Ш Ш ¿Й? Щ И © ■

'¡шН Й #£

: ш ш йкиИ §

Рис. 1. Модели после испытаний

да Таблица 1

Схемы модели и результаты исследования разрушающей нагрузки (Р, кН) и напряжений (<тср, МПа) от ширины камер (Вк, м) и целиков (Вц, м)

Таблица 2

Результаты исследования вертикальных (6в (ёг, м) деформаций контуров камер

м) и горизонтальных

Средняя горизонтальная дсформа-

первоначальный контур камеры:

а при увеличении горизонтальной площади целиков напряжения в модели возрастают согласно зависимости

контур камеры после деформации

о =-

1,7 - 0,586—

1

А-А

Рис. 2. Схема к определению площади камер Бк н горизонтальной площади модели Б„

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 О

I

X

3

3"

1 й еч

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 О

>

\ ( >

] I ___

^ °о 1

1,7-0,586—^

п 1 ■ОН -К

0,0415+0,1 -?-

я»

0,2

0,4

0,6

0,8

%2

Отношение горизонтальной площади камер к горизонтальной площадн модели , Як/Ям

4-

-I-

+

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Горизонтальная площадь целиков, 1 -Эк/5ы

1.2

Рис. 3. Зависимости нагрузки от отношения горизонтальной площади камер к горизонтальной площади модели и напряжения в модели от горизонтальной площади целиков

Для количественной оценки параметров разрушения пород проведен анализ деформаций контура камер (табл. 2).

По средним значениям построена зависимость вертикальных смещений в модели от горизонтальной площади целиков (рис. 4).

н 3

'£ i.s

1 1

k an = -5.7U-Srt/SM}*6,G

0,2

0,6

нвд ii :, .iu ll. !!с:гк,.|< 1 -Sk Sm

Рис. 4. Зависимость вертикальных смешений в от горизонтальной плошали целиков

Выводы и рекомендации

1. Установлено, что с увеличением количества камер одинаковой ширины (27 м) средние предельные напряжения в массиве снижаются с 0,86 (при одной камере) до 0,67(при трех камерах) или в 1,28 раза.

2. При увеличении ширины камеры с 27 до 40 м нормальные напряжения снижаются в 1,3 раза.

3. С увеличением отношения горизонтальной площади камер к площади массива блока от 0,4 до 0,6

разрушающая нагрузка снижается с 12,03 до 7,12 или в 1,7 раза. Предельное напряжение при этом снижается в 1,12 раза.

4. С увеличением отношения горизонтальной площади камер к площади массива блока вертикальные смещения снижаются в 2,2 раза.

5. При разработке слепых сближенных рудных тел в первую очередь рекомендуется осуществлять выемку залежей одиночными камерами (шириной 40

м) с оставлением между камерами устойчивых целиков. В этом случае за счет податливости целиков и устойчивости камер происходит плавное опускание земной поверхности и снижается вероятность воздушных ударов. Во вторую очередь одновременно отрабатываются целики между камерами. При этом земная поверхность будет оседать без изменения кривизны, т.е. без образования уступов и трещин.

1. Обзор горно-геологических и геомеханических условий эксплуатации железорудных месторождений Горной Шории и Хакасии, склонных к горным ударам [Текст] / Сост. А.В. Дерюшев, В.И. Бояркин, А.М. Нохрин и др. - Новокузнецк, 1988. - 41 с.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Глушихин Ф.П. Моделирование в геомеханике [Текст] / Ф.П. Глушихин, Г.Н. Кузнецов, М.Ф. Шклярский и др. -М.: Недра, 1991. - 240 с.

3. Шеховцов B.C. Основы научных исследований в горном деле [Текст] / В. С. Шеховцов: Учеб. Пособие. - Сиб-ГИУ. - Новокузнецк. 2006. - 136 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Шеховцова Виктория Олеговна - ст. преподаватель, Сибирский государственный индустриальный университет, e-mail: [email protected]

UDC 622.027

ANALYSIS OF STRESS-STRAIN STATE DISTRIBUTION IN ENCLOSING ROCK MASS OF CONTIGUOUS BLIND IRON ORE BODIES UNDER MINING IN THE ALTAI-SAYAN FOLDED AREA

Shekhovtseva V.O., Senior Lecturer, Siberian state industrial University., e-mail: [email protected]

Physical modeling of stress-strain state of enclosing rock mass of contiguous blind ore bodies allowed correlating loading, stresses and vertical displacements with the size and amount of pillars. When designing blind contiguous ore bodies primarily recommended to recess deposits ramie single chamber (40 m wide) between the chambers leaving stable target-ing. In this case, due to the compliance of the pillars and stability chambers there is a smooth lowering of the earth's surface and reduces the likelihood of air strikes. In the second place simultaneously practiced pillars between the chambers. At the same time the earth's surface will settle without changing curvature, ie without the formation of cave-in types and cracks.

Key words: contiguous blind ore bodies, rock mass stress-strain state, physical modeling, equivalent materials, parameters of stopes.

REFERENCES

1. Deryushev A.V., Boyarkin V.I., Nokhrin A.M. Obzor gorno-geologicheskikh i geomekhanicheskikh uslovii ekspluatatsii zhelezorudnykh mesto-rozhdenii Gornoi Shorii i Khakasii, sklonnykh k gornym udaram (Review of mining-and-geological and geomechanical conditions in rockburst-hazardous iron ore bodies in Gornaya Shoria and Khakasia) Sost. Novokuznetsk, 1988. 41 p.

2. Glushikhin F.P., Kuznetsov G.N., Shklyarskii M.F. Modelirovanie v geomekhanike (Modeling in geomechanics). Moscow, Nedra, 1991. 240 p.

3. Shekhovtsov V.S. Osnovy nauchnykh issledovanii v gornom dele [(Principles of scientific research in mining) Ucheb. Posobie. SibGIU. Novokuznetsk. 2006. 136 p.

ГОРНАЯ КНИГА

Уголь мира. Том III. Уголь Евразии

Б.М. Воробьев 2013 г. 752 с.

ISBN: 978-5-98672-348-8 UDK: 622.33

Настоящее издание — III том монографического сериала «Уголь мира». Освещаются основные аспекты состояния и развития угледобычи и углепотребления в страновом разрезе в Европе и Азии. Специальная часть посвящена угольной промышленности России. Описывается ресурсная база угольной промышленности отдельных стран, бассейнов и месторождений. Рассматривается международная торговля углем и особенно экспортно-импортной активность отдельных стран Евразии на мировом рынке угля. Показаны динамика потребления угля и области его использования.

Для широкого круга научных и практических работников, студентов, слушателей и аспирантов, интересующихся проблемами угольной промышленности и углеэнергетики.