CC BY
36
_____________________________________ © Н.В. Черданцев, В.Т. Преслер,
В.Ю. Изаксон, 2009
УДК 622.241.54
Н.В. Черданцев, В. Т. Преслер, В.Ю. Изаксон
ОБОСНОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАЗРУШЕНИЯ МНОГОСВЯЗНОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД С ПРОЧНОСТНОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ
Для оценки нарушенности массива с прочностной анизотропией, вмещающего систему выработок различного назначения, использована модель геомеханиче-ского состояния анизотропного по прочности массива горных пород.
Ключевые слова: геомеханическая модель, многосвязный массив горных пород, прочностная анизотропия.
Одной из фундаментальных проблем эффективной разработки угольных месторождений является прогноз следствий техногенного воздействия на массив горных пород (вывалы, потеря устойчивости, газодинамические проявления), которые в первую очередь обусловлены нарушенностью массива в окрестности системы горных выработок. Вследствие этого остро встаёт проблема количественной оценки геомеханической обстановки при ведении горных работ, согласно которой производится выбор рациональных технологических схем отработки угольного месторождения. В связи с этим актуальна задача создания методического обеспечения для оценки геомеханического состояния массива в области ведения горных работ.
В существующих моделях одно из основных свойств породного массива - прочностная анизотропия, обусловленная наличием поверхностей ослабления (слоистость, кливаж, тектонические нарушения), практически не используется в анализе его геомеханиче-ского состояния. В то время как разрушение массива, в первую очередь, происходит по этим поверхностям ослабления. Учёт прочностной анизотропии позволяет получить обоснованные оценки нарушенности массива и в соответствии с ними дать достоверную картину устойчивости выработок. Решение этой задачи основывается на подходе Грина, в котором массив рассматривается как бесконечная среда с полостями произвольных очертаний, нагруженные со стороны массива естественным полем напряжений, а изнутри - фиктивной нагрузкой. В математической постановке это
приводит к интегральному уравнению краевой задачи теории упругости, для решения которой наиболее эффективен метод граничных элементов, обеспечивающий построение непрерывной картины на-рушенности массива с регулярными системами поверхностей ослабления согласно критерию разрушения Мора - Кузнецова. Разработанная и используемая ниже модель развивает подход, предложенный в ранних работах В.Ю. Изаксона для расчёта геомехани-ческого состояния массива в окрестности объёмных сооружений.
На основе отмеченного подхода создана объемная универсальная модель, описывающая геомеханическое состояние (напряжённое, нарушенности, устойчивости) массива горных пород, вмещающего систему выработок, и разработан комплекс методов её компьютерной реализации и систематизированного проведения исследований модельных сред. Модель учитывает любые системы поверхностей ослабления с различными характеристиками среды, а также опорное давление в области ведения горных работ, а на базе вычислительного эксперимента обеспечивает комплексное изучение различных модельных сред. Изучение проводится путём построения зон нарушения сплошности (ЗНС) и посредством количественных оценок нарушенности, представленных показателями на-рушенности, которые основаны на соотнесении площадей и объёмов ЗНС с площадями и объёмами самих сооружений, а также на использовании производных от этих величин - интенсивности нарушения и границ смыкания отдельных ЗНС в системе выработок.
Возможности модели проверены в ходе проведения широкомасштабного вычислительного эксперимента на модельных и физических средах в широком диапазоне варьирования их основных параметров (коэффициенты бокового давления и сцепления, угол внутреннего трения и углы падения и простирания поверхностей ослабления, различные параметры опорного давления) (рис. 1, а), а также на результатах решения ряда конкретных задач о нарушен-ности и устойчивости реальных массивов горных пород, вмещающих одиночные выработки и их системы на некоторых угледобывающих предприятиях Кузбасса.
картины нарушенное™ в сечениях спаренных цилиндрических выработок, с опорным давлением в их окрестности, изменяющимся по закону квадратной параболы с максимальным значением до 6уН
в)
¡РЩЦ
к расчёту нарушенности массива на сопряжении горных выработок и выбору параметров анкерной крепи Результаты реализации разработанной модели
к установлению неустойчивого размера целика по геотехнологии НЮН\¥АЬЬ
г)
к вопросу о проявлениях призабойной нарушенное™ в подготовительной выработке в зависимости от направления её проведения
• Для условий разреза «Распадский», разрабатывающего угольный пласт по системе HIGHWALL, установлены рациональные параметры этой системы, обеспечивающие устойчивость целиков (определён минимальный размер устойчивого целика) (рис. 1, б).
• Для условий шахт «Осинниковская» и «Южная» точно определены характеристики ЗНС, что позволило рассчитать рациональные параметры паспортов анкерного крепления. Определены максимальная длина анкера, максимальное усилие натяжения, количество анкеров (рис. 1, в).
• По результатам моделирования нарушенности массива в призабойных частях подготовительных выработок на шахте «Ко-тинская» (Кузбасс) установлено, что в зависимости от ориентации поверхностей ослабления и направления проведения выработок разрушение массива происходят в разных её бортах (рис. 1, г). Данный эффект не обнаруживается в рамках известных моделей.
Cherdant.se N. V., Presler V.T., Izaxon V.Ju.
SUBSTANTIATION OF GEOMECHANICAL MODEL OF A MULTICO-HERENT ROCK MASSIF DESTRUCTION WITH ANIZOTHROPY OF DURABILITY
For an estimation of a rock massif with the anizothropy of durability disturbance, containing system of mine workings of various assignment, uses model of a geomechanical state of the such rock massif.
Key words: geomechanical model, multicoherent rock massif, anizothropy of durability.
___ Коротко об авторах ________________________________________________
Черданцев Н.В. - д-р техн. наук, старший научный сотрудник,
Преслер В. Т. - д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник,
Изаксон В.Ю. - д-р техн. наук, проф., главный научный сотрудник, Учреждение Российской Академии наук Институт угля и углехимии СО РАН, E-mail: [email protected]
