CC BY
12
УДК 622.284
В.И.ОЧКУРОВ, канд. техн. наук, доцент, (812) 328 86 25 В.Ю.СИНЕГУБОВ. аспирант, slavjanntil(a),rambler.ru А.В.С ТРЕЛЕЦКИЙ студент, (812) 328 82 25
Санкт-Петербургский государственный горный институт [технический университет)
V.I.OCHKUROV, PhD in eng. sc., associate professor, (812) 328 86 25 V.Y.SINEGUBOV, post-graduate student, slavjanntiltyrambler ru A.V.STRELETSKIY, student, (812) 328 82 25 Saint Petersburg State Mining Institute (Technical University)
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МАССИВА РЫХЛЫХ РУД ЯКОВЛЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ВОКРУГ ВЫРАБОТОК, ПРОЙДЕННЫХ КОМБАЙНОВЫМ И БУРОВЗРЫВНЫМ СПОСОБАМИ
Представлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния массива выработками первой очереди защитного перекрытия Яков леве ко го рудника. Методом конечных элементов определено изменение напряженно-деформированного состояния массива, ослабленного выработкой. Получены распределения напряжений в массиве, смещения контура выработок, размеры условных зон нелинейных деформаций. Для очистных заходок первой очереди предложен вариант комбайновой проходки с применением упрочняющей крепи из анкеров с затяжкой рудного обнажения.
Ключевые слова: напряжения, деформация, смещения, метод конечных элементов, массив, нелинейные деформации, анкер.
THE STRESS-STRAIN STATE OF THE MASSIVE OF THE LOOSE ORES IN THE YAKOVLEVSKY DEPOSIT AROUND THE MININGS WHICH WERE DRILLED WITH THE COMBINES OR WITH DRILLING-BLAST TECHNOLOGY
The article presents the consistent patterns of the changes in stress-strain state of the massive by the minings of the first stage of protective overlapping in the Yakovlevsky deposit. The change of the stress-strain condition of the rock massive, which is weaked by the mining was determined by the method of finite elements. The stresses distribution in the massive, the displacement of the contour of the minings, the size of conditional zones of non-linear deformations has been obtained. For stoping passes at the first stage the cutting with combine and application of fastening with the anchors has been suggested.
Key words: stresses, defonnations, displacements, method of finite elements, massive, nonlinear deformations, anchor.
Строительство защитного перекрытия на Яковлевском руднике затянулось в связи с весьма сложными условиями проходки выработок, предназначенных под закладку бетоном. Как правило, выработки проходят с оставлением разделительных целиков различной ширины, закладывают их, а далее
проходят выработки второй очереди впри-сечку к бетонной закладке. При проходке выработок первой очереди применяемая технология проведения и крепления очистных заходок арочной податливой крепью обеспечивает устойчивость выработок. За крепью в кровле очистных заходок остаются
пустоты, которые не заполняются бетоном при закладке выработок [2]. При проходке выработок вприсечку пустоты над смежной бетонной полосой увеличивают пролет обнажения в кровле присечки, что способно создавать аварийно-опасные ситуации. Наряду с большими переборами руды и неплотной забутовкой закрепного пространства при проходке выработок первой очереди причиной проблем при проходке выработок второй очереди является перераспределение напряжений и деформирование рудного массива за контуром выработки, снижающие несущую способность рудных целиков между выработками первой очереди.
Несколько лет назад на руднике был сделан шаг к улучшению технологии строительства защитного перекрытия - куплены проходческие комбайны. Комбайновая технология проведения очистных заходок по сравнению с используемой ранее буровзрывной технологией способна улучшить условия ведения работ. Но сегодня она не смогла полностью заменить буровзрывную технологию по экономическим и горнотехническим причинам
Для оптимизации условий поддержания очистных заходок до их закладки необходимо провести анализ НДС массива вокруг выработок первой очереди, пройденных различными способами, для установления зон влияния выработок, концентрации напряжений, перемещений и границ условных зон неупругих деформаций.
Для решения задачи использовалось компьютерное моделирование на основе метода конечных элементов. В качестве модели для исследования НДС принята упруго-пластическая модель деформирования пород Задача считается в плоской постановке. Реальный массив заменяется невесомой конечной областью шириной 50 м и высотой 50 м. Выбран способ задания граничных условий, при котором запрещаются перемещения по всем граням области по осям .г и г, а внутри области задается поле напряжений: вертикальных ав = 7,2 МПа и горизонтальных сг = 2,3 МПа. В сравнении с другим способом, когда перемещения запрещаются
не по всем граням и к граням без запрета перемещений прикладывается давление, принятый вариант задания напряжений имеет преимущество - исключение так называемых «исторических» смещений.
Область разбивается на конечное число плоских элементов, причем их размеры зависят от удаления от контура выработки. Вблизи контура элементы имеют размеры, не превышающие 10 см, по мере удаления размер элементов увеличивается.
Приняты следующие величины физико-механических характеристик изотропного рудного массива; модуль деформации 500 МПа; коэффициент Пуассона 0,3; угол внутреннего трения 23°; сцепление 2,9 МПа.
Известно, что в рудном массиве при буровзрывной технологии проходки вокруг выработки образуется зона разупрочнения величиной 0,5-0,8 м [1]. Для моделирования принята величина этой зоны 0,6 м с физико-механическими характеристиками руды у контура выработки: модуль деформации 50 МПа; коэффициент Пуассона 0,15; угол внутреннего трения 15°; сцепление 1,7 МПа, с постепенным увеличением этих характеристик На расстоянии 0,6 м от контура они достигают характеристик нетронутого массива.
Для определения зоны влияния выработки рассмотрен характер распределения напряжений в массиве вокруг выработки при разных технологиях ведения работ. На рис.1 и 2 приведены поля вертикальных напряжений Су, полученные по горизонтальной оси, находящейся на расстоянии 0,9 м от почвы выработки Напряжения отложены в коэффициентах концентрации, принимающих значение а,7ав По горизонтальной оси отложено расстояние от контура выработки в метрах.
Из рис.1 следует, что граница области влияния выработок, ограниченная зоной с увеличением напряжений на 5-10 %, составляет для комбайновой технологии 2,9-3,9 м, для буровзрывной технологии 3,2-4,2 м. Таким образом, наблюдается некоторое уменьшение зоны влияния выработок при использовании комбайна
Рис. 1. Распределение вертикальных напряжений на уровне 0,9 м от почвы выработки, пройденной
комбайном (1); БВР (2)
Рис.2. Вертикальные смещения свода и подошвы выработок
На рис 2 представлено изменение вертикальных смещений в своде и подошве выработок. Максимальное поднятие подошвы выработки, проходимой комбайновым способом (рис.2, а) составляет 58 мм, что значительно меньше смещений при буровзрывном способе проходки (96 мм, рис.2, б).
Аналогична картина и со смещениями в своде (максимальные 51 мм для комбайна и 87 мм для БВР).
Введение в расчетную схему условной поддерживающей крепи КМП-АЗ в виде отпора (распределенной нагрузки на контур выработки величиной 30 кПа) практически
не повлияло на параметры НДС вмещающего массива: уменьшение смещений в кровле не превышает 1 мм.
Сопоставлены конфигурация и размеры условных зон нелинейных деформаций (УЗНД) пород вокруг выработки Под УЗНД понимается примыкающая к выработке область упругой модели массива, в которой не выполняется условие прочности Кулона -Мора Хотя эти зоны не могут быть отождествлены с реальными зонами неупругих деформаций, тем не менее их конфигурация и размеры позволяют судить о степени устойчивости породных обнажений. В качестве критерия принята максимальная протяженность УЗНД в направлениях, нормальных к контуру сечения выработки
На рис.3 представлены условные зоны нелинейных деформаций вокруг выработки, пройденной комбайном (рис 3, а) и БВР (рис 3, б).
Максимальная протяженность УЗНД при буровзрывной технологии проходки больше на 20 %, чем при комбайновой технологии.
По таким критериям, как зона влияния выработок, вертикальные смещения, УЗНД, комбайновая технология в слабых рудах Яковлевского рудника предпочтительна. Натурные замеры в очистных заходках также показали уменьшение переборов породы при комбайновой проходке, что тоже является фактором повышения устойчивости породного целика между выработками первой очереди.
При всех положительных сторонах комбайновой проходки выработок первой очереди с арочным креплением не исключается вероятность нарушений массива за контуром и аварийных ситуаций при проходке выработок второй очереди, так как переборы руды за проектный контур и неплотная забутовка не обеспечивают совместную работу крепи с массивом. Поддерживающая крепь КМП-АЗ из-за переборов пород выключается из работы системы крепь -массив. По существу, крепь играет роль предохранительной, страхующей рабочих от локальных вывалов.
\ б
4900 |
/
\ 1080' — 1
Рис.3. Условные зоны нелинейных деформаций вокруг вв!работок
Анкер ■('
Р
/
уГ
/
680
4900
Рис.4. УЗНД вокруг выработок, пройденных комбайном с анкерным креплением
Необходимо изменять технологию крепления выработок первой очереди Возможно применение анкерной крепи с эффективным видом затяжки рудного контура в промежутках между анкерами. Для оценки их влияния на параметры НДС в расчетную схему были включены условные анкеры (в виде металлического стержня, закрепленного по всей длине). Физико-механические характеристики металлического анкеры: модуль деформации 200 ГПа, коэффициент Пуассона 0,3 Покажем на примере изменения УЗНД как анкеры, поставленные на высоте 0,9 м от почвы и в пяте свода, уменьшают размеры зоны неупругих деформаций. На рис.4 представлены условные зоны нелинейных деформаций вокруг выработки, пройденной комбайном, с двумя анкерами длиной 1,8 м. Как видно из рис.4, размеры УЗНД в плос-
кости установки анкеров уменьшаются почти в два раза Также уменьшаются вертикальные смещения: в своде до 15 мм, в почве до 8 мм. Зона влияния выработки также уменьшилась до 2,5-3,5 м.
На руднике в рыхлых рудах опробовано большое количество анкеров: железобетонных, сталеполимерных, трубчатых гидрораспорных (11 РШ) Приемлемый результат дали только анкеры ТГРШ [3], но их применение ограничивается дороговизной. В данном случае можно предложить схожие по своим свойствам анкеры типа «Сплит-Сет» (предположительная прочность закрепления 60-80 кН, такая же, как и анкеров ТГРШ) Их достоинствами в сравнении с анкерами ТГРШ является меньшая стоимость и менее затратная технология установки.
Одним из видов анкеров, пригодных для крепления выработок первой очереди в рыхлых железнослюдково-мартитовых рудах («синьках») являются предложенные ОАО «ВостНИГРИ» сталеорганные анкеры [4]. Сталеорганный анкер представляет собой стержень из периодического профиля диаметром 20 мм со скошенным срезом на забойном конце, забитый в деревянную пробку, заложенную в забой шпура. Перспективна конструкция железобетонного анкера с заполнением шпура песчано-цементным раствором перед забивкой стержня в пробку. Основное преимущество сталеорганных анкеров - низкая стоимость. Технология их установки проста, анкеры вступают в работу сразу после установки. Возможность применения в очистных заходах с коротким сроком службы требует в опытном порядке проверки в выработках Яковлевского рудника.
Перспективы применения анкеров в рыхлых рудах зависят от конструкции затяжки промежутков между анкерами. Наиболее рациональный и надежный способ - деревянная затяжка, удерживаемая с помощью гибкого подхвата, закрепленного на анкерах, с забутовкой закрепного пространства.
Комбайновая технология проходки выработок первой очереди с применением уп-
рочняющей крепи в виде анкеров значительно уменьшит напряжения в массиве, смещения и УЗНД Главное, при анкерной крепи существенно повысится качество закладки выработок бетоном Пустоты в кровле над закладочным бетоном будут снижены, а при наклоне выработок к горизонту на 3-5° вообще исключены. Останется недозак-лад вследствие усадки бетона при твердении, не зависящий от технологии крепления. В целом при проходке выработок вприсечку к закладочному массиву повысится безопасность работ в забое. Естественно, положительные эффекты анкерного крепления будут иметь место и в выработках, пройденных буровзрывным способом
ЛИТЕРАТУРА
1. Мартемьянов ГА. Деформирование рудного массива вокруг горных выработок / Г.А.Мартемьянов, В.И.Очкуров, А.Б.Максимов, Д.Н.Петров // Записки Горного института. СПб, 2006. Т.168. С. 196-202.
2. ПахалуевВ.Ф. Деформация рудного обнажения за крепью КМП-АЗ / В.Ф.Пахалуев, Ю.Н.Огородников, Д.Б.Зыков, А.Б.Максимов // Записки Горного института. СПб, 2006. Т.168. С. 175-180.
3. ПахалуееВ. Ф. Перспективы применения анкерной крепи в рудных выработках Яковлевского рудника / В.Ф.Пахалуев, Ю.Н.Огородников, А.Б.Максимов // За-пискиГорного института. СПб, 2006. Т.168. С.181-183.
4. ТУ 3142-001-58163333-07. Крепь штанговая ста-леорганная (анкерная) / ОАО «ВостНИГРИ». Новоку> нецк, 2007.
REFERENCES
1. Martemyanov G.A. The defomiation of an ore massive around the millings / G.AMartemyanov, V.I.Ochkurov, A.B.Maximov, D.N.Petrov // The Proceedings of the Mining Institute. Saint Petersburg, 2006. V.168. P.181-183.
2. Pahaluev I'.F. The defomiation of an ore exposure for mine support KMP-A3 / V.F.Pahaluev, Y.N.Ogorodnikov, D.B.Zikov, A.B.Maximov 11 The Proceedings of the Mining Institute. Saint Petersburg, 2006. V.168. P.181-183.
3. Pahaluev V.F. The application prospects anchors mine support in ore the minings of Yakovlevsky deposit / V.F.Pahaluev, Y.N.Ogorodnikov, A.B.Maximov // The Proceedings of the Mining Institute. Saint Petersburg, 2006. V.168. P.181-183.
4.TC 3142-001-58163333-07. The support consisting of rock bolts steelorganic / OS «VostNIGRI». Novo-kuznetzk, 2007.
