Методика определения области безопасного и эффективного вскрытия запасов нагорного месторождения Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.271 М.А. Земляной

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЛАСТИ БЕЗОПАСНОГО И ЭФФЕКТИВНОГО ВСКРЫТИЯ ЗАПАСОВ НАГОРНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Разработана методика, включающая обоснование области рабочей зоны карьера для безопасного и эффективного вскрытия запасов мергеля для производства цемента. Произведен геомеханический расчет напряжений возникающих в массиве, вмещающего горную выработку.

Ключевые слова: приоткосный массив, безопасность, напряжение пород.

M.A. Zemlyanoy

THE METHOD OF DEFINING THE AREA FOR THE SAFE AND EFFECTIVE DEVELOPING OF THE MOUNTAIN DEPOSIT WITH REGARD TO THE SAFETY RULES IS PROPOSED.

The developed technique includes a substantiation of area of a working zone career for safe and effective opening stocks mergel for manufacture of cement. Geomechanical calculation of pressure arising in a file, containing mountain development is made.

Key words: slope rock mass, safety, rock stress.

А нализ способов вскрытия запа-ов полезного ископаемого нагорного месторождения показал, что существующие методики, не достаточно учитывают совокупное влияние параметров тектонических силовых полей и пространственной геометрии систем вскрытия. Это сдерживает возможности применения эффективных технологий вскрытия и отработки запасов полезного ископаемого.

При обосновании методики определения области безопасного и эффективного вскрытия запасов, необходимо определить значение тензора направлений напряжений в любой точке приоткосно-го массива с учетом параметров конст-

руктивных элементов устойчивости

борта.

Для оценки устойчивости вскрытого и находящегося в эксплуатации борта карьера по методу П.М. Цимбаревича отстраиваются возможные линии сдвижения и вычисляются коэффициенты запаса прочности. Координаты точки на возможной линии сдвига X и Y в существующих методиках определяются графоаналитическим методом.

Определение координат точек X и Y с учетом бокового распора без проведения вскрывающей выработки (штольни) будет иметь вид

х = (h - Я90)

sin(/-a) • sin(45 + ф./2) i sin /• sin(45-a + pj2) n

Уі =

h-( h - H90 )• 1

sin(/ - a) sin /• sina

где h - высота откоса, м; Н90 - высота устойчивого вертикального откоса, м; в -угол уступа переходной зоны, град.; а -угол откоса борта карьера, град.; ф - угол внутреннего трения пород уступа рабочей зоны карьера, град.; і - номер уступа; п - общее количество уступов, шт.

Основной закономерностью геоме-ханических процессов, протекающих в массиве вблизи проведенной выработки, является резкое изменение напряженно-

Вскрывающая выработка (штольня)

Тела полезного

ископаемого (мергель)

Рис. 1. Схема для определения текущих координат точек линии сдвижения в массиве с учетом влияния косого изгиба на породы, вмещающие выработку

деформированного состояния пород вокруг нее.

Предположим, что вертикальные напряжения на удалении от контура выработки на расстоянии 2Ь будут иметь значения^ = уН, а на контуре - аВ = 0 [4]. С удалением от контура выработки вертикальные напряжения изменяются в интервале 0 < Ьр < 2Ь и определяться по формуле

Гт

аВ =

в

2Ь

( к Л

х. =

2--р-2Ь

КоЛу^ - Н90) х

8Іп(/-а)8Іп(45 + ^,./2) і 8Іп/8Іп(45 -а + щ/2) п ’

Уі = 7

2 —р 2Ь

к-(к -И90)-п

8Іп(/ - а)

8Іп р$та

где hp - высота от контура выработки, на которой определяются напряжения; Ь - ширина выработки.

Определение координат точек X и Y с учетом концентрации нормальных напряжений в породах приконтурной зоны и бокового распора при проведении вскрывающей выработки (штольни) будет иметь вид

где i - номер горизонта вмещающий вскрывающую выработку; п - общее количество горизонтов, шт.; Ко - коэффициент, учитывающий условия объемного сжатия.

Проведение вскрывающих выработок (штолен) вкрест линии падения откоса приводит к перераспределению напряжений тектонического поля и смещения координат Х и Y возможной линии сдвига (рис. 1). В результате перераспределения напряжений во вмещающем выработку массиве происходит усиление касательного и нормального напря-

Свод естественного равновесиия

жения на площадке скольжения, которое предопределяет расслоение пород, вмещающих выработку.

Определение напряжений при воздействии косого изгиба (рис.2), вызываемого действиями локальных поверхностей скольжения при сохранении общей устойчивости борта карьера производится путем разложения силы Р (рис. 3, а) по осям симметрии на две силы Рх и Р2, которое сводит косой изгиб к изгибу в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Предположив, что напряжения, вызываемые силами Рх и Р2, не зависят друг от друга. Пусть на горную выработку действует только сила Р2. Она вызывает в сечении наибольшие напряжения в точках, лежащих на прямых ^ и ad (рис. 3, б).

При этом

а = +-

В I и II четвертях происходит растяжение, а в III и IV - сжатие.

Предположим теперь, что на выработку действует только сила Рх. Она вызывает в точках прямых cd и ba (рис. 3, в) наибольшие напряжения

Рис. 2. Схема приложения нагрузок к горной выработки (штольни) силой Р при возникновении косого изгиба, возникающего от расслоения пород: Рпрд - сила противодействия горному давлению, Рсдв - сила косого изгиба, вызванного действиями локальных поверхностей скольжения при нарушении общей устойчивости борта карьера, Рбр - сила бокового распора

В I и IV четвертях происходит растяжение, а во II и III - сжатие.

При одновременном действии сил Р2 и Рх, или, что то же, силы Р, напряжения в отдельных точках сечения будут складываться. При этом (рис. 3, г) в точках a и c наибольшие напряжения будут с одним знаком, а в точках Ь и d - с разными.

Проделав это сложение, получим:

М М„

а = —а — а = —

М

__z_

W

М

W

а = +

x

М

__x_

W

W

z

W ’

z

Ml

W ’

x z

Mz Mx

а,=—а + а =------- +---,

d z x WW

x z

Зная направление тензора напряжений в каждой точке массива, вмещающего выработку, определяем суммарное нормальное и касательное напряжения в условиях растяжения и сжатия слоев горных пород.

Суммарные касательные и нормальные напряжения при on < omax и on > omm определяются выражениями: ап = ах sin2 а + а c°s2 а'■>

1 , ч „

т = — (а — а ) sin 2а.

2 x

4 Рх II Сжатие ■ I | Растяжение x

III t " 1 IV

I

t

I

I

62

Рис. 3. Схема определения нагрузок при воздействии косого изгиба на выработку (штольню)

На разрушение пород большое влияние оказывает угол наклона элементарной площадки разрушения, от которого зависят нормальное и касательное напряжения. Разрушение пород будет происходить всегда, когда определена точка касания огибающей, характеризующая прочность горной породы и кругов Мора, характеризующих напряженное состояние пород. Напряженное состояние пород необходимо рассматривать с учетом направления тензора напряжений в каждой точке массива.

С учётом вышеизложенного тезиса, определение координат точек X и Y будет иметь вид

1 -Я

y¡ = ■ eosPY

f hp Л

2 —p-2b

h-(h - Я90 )• I

sin(^-a)

sin $• sin a

где X - некий коэффициент с размерностью напряжений и определяемый экспериментально (практически принимают X = Ор)., ор - предел прочности пород на растяжение, МПа., р - угол внутреннего трения между слоями пород, град.; оя - нормальное напряжение, МПа

С учетом пространственного расположения вскрывающих выработок (штолен) определение координат точек X и Y будет иметь вид

1 -Я

(

• az eos P

hp Л 2 —p-2b

KXY(h - H90) x

x. =

f m ^

ctga H—-v H .

V 3 /

sin(^-a)• sin(45 + p./2) i sin $• sin(45 -a+pj 2) n

2a¡ • eos p(h - H90) x

sin(^-a) • sin(45 + p¡2) i sin $• sin(45 -a + p¡ 2) n

b-

z

+-

x

x

a-

-+

X

X. =

Уі =

( m ^

ctg а Н—-

V H .

V 3 у

h-(h - H90 )• і

2CTj • cos р • у sin(^ - а)

f h л 2 —p 2b

гд

sin /}■ sin а

е а - угол между направлением сдвигающего усилия и горизонтальной плоскостью, град; тв - среднее расстояние между выработками (штольнями) на i-ом горизонте, м; Нз - ширина зоны сдвижения, вмещающая вскрывающие выработки, м.

Методика содержит в себе следующие ограничения:

по максимальной глубине карьера

( 2C sin a- cos р Í1 ' v У sin2 (a - р) J,

по генеральному углу погашения борта при максимальной глубине

n

Omax < аг.б. при ^ Н = Ншах .

' = 1

Таким образом, методика определения области безопасного и эффективного вскрытия запасов нагорного месторождения осуществляется с учетом требования правил безопасности, что дает возможность применения эффективных технологий вскрытия и отработки запасов полезного ископаемого.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Воробьев ВА. Строительные материалы. - М.: “Высшая школа”, 1973. - 376 с.

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

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

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

4. 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.

5. Чирков А.С. Добыча и переработки строительных горных пород: Учебник для вузов. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2001. - 623 с.

6. Разработка научных основ и способов ресурсосберегающей экологически чистой технологии добычи полезных ископаемых: Сборник научных трудов / Юж.- Рос. гос. техн. ун-т (НПИ) - Новочеркасск: УПЦ “Набла” ЮРГТУ (НПИ), 2005. ЕШ

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

Земляной М.А. - кандидат технических наук, Южно-Российский государственный технический университет (НПИ), [email protected]

X