CC BY
51
УДК 622.26:622.83
Д.Ю. Дорджиев, аспирант, &тюЬ [email protected] (Россия, Санкт-Петербург, СПГГИ),
А.Г. Протосеня, д-р техн. наук, проф., [email protected] (Россия, Санкт-Петербург, СПГГИ)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВОКРУГ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ ТЕКТОНИЧЕСКИ НАРУШЕННОГО МАССИВА
Рассматривается оценка напряженного состояния вокруг горизонтальной выработки тектонически нарушенного массива, сделанная для уранового месторождения “Антей ”. С помощью компьютерного моделирования, было выявлено, что максимальные горизонтальные напряжения формируются в кровле и почве выработки.
Ключевые слова: выработка, массив, моделирование, удароопасность, уран.
Широкомасштабная практика прогноза и предотвращения горных ударов на глубоких рудниках и разработка новых эффективных противоударных мероприятий имеют важное значение для многих горнодобывающих предприятий России.
Месторождение “Антей” непосредственно приурочено к интенсивно тектонически нарушенному пересечению разломов субширотного и меридионального простирания с широким развитием разрывных нарушений. Максимальная нарушенность отмечается в южной части месторождения на пересечении разломов четырех направлений. В целом район характеризуется развитием самых разнообразных и сложных форм разрывных нарушений и типов блоковых структур.
Выделяются три зоны разломов: №№ 103, 13, 160, из которых две последние — сближенные с расстоянием между ними не более 100 м. Зона 13 — наиболее мощная, амплитуда смещения крыльев в ней 40-60 м. Разлом сопровождает интенсивное брекчивание, часто с зияниями, выполненные кварцем, флюоритом, кальцитом. Разлом 160 имеет мощную (около 5 м) зону дробления и проходит исключительно в гранитах фундамента. Швы имеют как зоны дробления, так и тектонические трещины. Мощность полостей трещин от 2 до 10 см, полости представлены глинкой трения, карбонатами, реже хлоритом. Мощность зон дробления от 6 до 100 см. Плотность трещин 2...5 на 1 м. Трещины сколового характера с притертыми краями.
Разлом 13 наиболее крупный, вскрыт до глубины 1500 м и далее не оконтурен. Повсеместно он выражен четким швом сместителя, амплитуды перемещения по нему незначительны и не превышают первых десятков метров. В висячем боку шва широко развиты тектонические брекчии, оперяющие нарушения, и трещиноватость. В лежачем боку проявления текто-
нических подвижек практически отсутствуют. Разлом 160, паралелльный разлому 13, является основным рудовмещающим структурным элементом месторождения. Он является опереяющим шов 13, имеет вертикальное падение и наиболее четко выражен в гранитах и базальных конгломератах.
Оруденение месторождения “Антей” локализовано исключительно в нарушениях № 13 и 160. Глубина зоны оруденения не менее 1500 м при мощности от нескольких метров до первых десятков метров.
На границах вулканогенно-осадочных пород чехла и пород фундамента ярко выражено выклинивание и преломление швов разломов или изменение пространственной ориентации вплоть до переориентации нарушения (от северо-западного простирания в породах чехла к мериодиональному в фундаменте), чем подтверждается наличие деформаций чехла и фундамента. Гранитный фундамент дифференцирован на три разновидности гранитов: мелко- и среднезернистые лейкократовые граниты, биотитовые граниты и метасоматические порфировые граниты (гранитогнейсы). Все разновидности гранитов являются рудовмещающими, имеют нечеткие границы, полный набор их разновидностей повсеместно не выдерживается. Форма гранитных тел жильная, реже линзообразная. Мощность тел не превышает первых десятков метров, размеры по простиранию - первых сотен метров.
Для прогноза устойчивости выработок на сейсмоопасных участках исследование зависимости параметров напряженно-деформированного состояния от тектонических напряжений, геометрических параметров геологических блоков и условий контакта по их граням является актуальной задачей. Наиболее распространенными являются численные методы определения параметров поля напряжений. Один из них — метод конечных элементов (МКЭ). Метод позволяет исследовать влияние отдельных факторов на параметры поля напряжений при ведении горных работ, несмотря на некоторую идеализацию свойств реального массива. Задачей является оценка напряженно-деформированного состояния приконтурной зоны вокруг выработки. Расчетная схема конечно-элементной модели, представляющая собой участок массива шириной 100 ми высотой 100 м, показана на рис.1.
Расчет велся на собственный вес с учетом давления вышележащих пород Р = 20,8 МПа и горизонтальных сил Т = 58,8 МПа. Участок геологического разреза модели представлен на рис. 2.
Особенностью геологического строения залежи на уровне 10.12 горизонтов является сближение разломов № 160 и№ 13.
Граниты месторождения относятся к удароопасным. При проходке выработок наблюдаются различные формы динамических проявлений горного давления в виде стреляний и интенсивного заколообразования, которые происходят сразу после обнажения. Размеры пластинок при стрелянии
в кровле выработки в среднем изменяются от 0,2*0,3*0,03 м до
0,5*0,6*0,05 м.
Рис. 1. Расчетная схема конечно-элементноймодели
■$? + ♦вві н- Ф М +
3 + #Н+ ■
ъ 3 + Кг
+ + й +5 -
■ф 1 * ь + ф
- 3 \ + + 1\] :4" ■
+ № ^v^\\\\л\v ь 4 М+ +
■ +1 ф # 4« Н- ■
# 1» «Р + +
+ 1 + + Ж Ф *
+ 4 +к\\Ш1 + + й# +
н
+ -НІ ним + +м + +
+ -^1 + 1\Г +
+ -НІ + к\\\\\ті + 4АІ Н- 4~
■ + 11 + К\\\\\\\ * М+ 4- ■
Рис. 2. Геологическийразрез месторождения:
1 - рудный массив; 2 - тектонические разломы; 3 - гранитоиды
По нижней грани моделируемого участка запрещались перемещения по оси у, а по боковой грани - по оси х. Сетка конечных элементов разбивалась так, чтобы на контуре выработки и границе контакта сред размер элементов был наименьшим (« 0,2 м), а на периферии - увеличивался до 5 м.
Массив моделировался изотропной линейно деформируемой средой, величины физико-механических характеристик пород принимались исходя из таблицы.
Физико-механические сеойстеаруд и пород
№ пп. Наименование грунта(породы) Е, МПа V у, кН/ м3
1 Гранитоид 78000 0,22 26,9
2 Рудный массив 45000 0,17 26
Рассмотрим изменение горизонтальных напряжений в нетронутом массиве по геологическому разрезу (рис. 3). Горизонтальные напряжения примерно на три процента уменьшаются в зоне основного рудного нарушения, в то время как скачок в зоне двух других тектонических нарушений наблюдается незначительный. Далее рассмотрим изменение горизонтальных напряжений вокруг выработки в неоднородном массиве (рис. 4).
Максимальная концентрация напряжений приходятся на центральную часть свода и на ось почвы. В этих узлах величина напряжений достигает максимальных значений. Минимум напряжений приходится на борта выработки.
Рис. 3. Распределение горизонтальных напряжений в нетронутом массиве
Рис. 4. Эпюра горизонтальных напряжений одиночной выработки,
пройденной порудному массиву
Выявлены следующие закономерности формирования напряженного состояния неоднородного массива пород вокруг выработки: максимальные горизонтальные напряжения имеют значения 120 МПа и формируются в кровле и почве выработки; выработка испытывает воздействие достаточно высоких горизонтальных напряжений субширотной ориентации. Поэтому будет формирование систем микротрещин в кровле и почве, а при уровне напряжений, приближающихся к 0,7 [осж] возможно проявление горного давления в виде шелушения, интенсивного заколообразования или стреляния.
По данным, полученным профессором Ставрогиным А.Н., предел прочности гранитов на одноосное сжатие асж изменяется от 180 до 216 МПа, а предел прочности на растяжение ар = (8.9) МПа.
Анализ кривых деформирования образцов гранита показал, что породы вплоть до разрушения деформируются упруго. Выполним оценку возможности динамического разрушения при стрелянии, которые происходят в приконтурной зоне кровли выработок. При испытаниях образцов горных пород на одноосное сжатие при отсутствии трения на торцах их разрушение происходит по поверхности параллельной вертикальной сжимающей силы. Образование вертикальной поверхности разрушения происходит под действием растягивающих перемещений и напряжений, действующих в направлении перпендикулярном к сжимающей силе.
По нашему мнению, аналогичный механизм образования отколов в виде пластин имеет место при стрелянии гранитов в выработках. Модуль упругости гранита равен Е = 8-104МПа, а коэффициент Пуассона V = 0,22.
Тогда расчетная величина деформации разрушения гранита при одноосном растяжении будет
°п 8 3
£„ = -£■ = = 0,1 ■ 10-3. (1)
13 E 8 -104
При экспериментах в условиях одноосного сжатия предельная величина деформации разрушения при растяжении гранита составляет ер=2-10" .
Для оценки деформационного критерия разрушения гранита при растяжении необходимо отметить, что полученные расчетным и экспериментальным путем значения ер отличаются в 20 раз. Верхняя оценка получена при испытании цилиндрических образцов при наличии трения на торцах, когда имеет место другой механизм разрушения и поэтому будет существенна завышена. Действительная величина деформации разрушения будет располагаться ближе к нижней оценке и, по-видимому, будет составлять ер = (0,3 - 0,6)-10-3.
Оценку заколообразования произведем по деформационному критерию. На контуре выработки величина напряжений по оценкам различных авторов у = 120 МПа. Из условия несжимаемости гранита следует, что растягивающая деформация на контуре выработки
£f =_£е = ^а^-120г = 1,5 ■ 10-3. (2)
E 8-104
Расчетная величина радиальных деформаций растяжения на контуре выработки в наиболее напряженных зонах меньше по сравнению с величиной, полученной по деформационному критерию при разрушении. Отсюда следует, что в выработках будет происходить динамическое разрушение (стреляние) в форме плоских пластин.
Список литературы
1. Дорджиев Д.Ю. Моделирование формирования напряженно-деформированного состояния нетронутого тектонически-нарушенного массива // Тр. 7-й межрегиональной научно-практической конф. «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решение». Воркута: Изд-во филиал СПГГИ (ТУ) ВГИ, 2009. C. 67-71.
D. Dordzhiev, A. Protosenya
Simulation of the deformation mode forming around the horizontal mine in the field of tectonically fractured massif
The estimation of a tension around horizontal mine in field of the tectonically fracture massif, "Antej" made for an uranium deposit is considered. By means of computer stimulation, it has been revealed that the maximum horizontal pressure is formed in a roof and sole.
Key words: massif, modeling, blow- danger, uranium.
Получено 22.09.10
