CC BY
17
5. Руковооство по расчету и проектированию юани и и сооружений па поорабатываемых территориях. - М : Стройиздат. 1977.
6. Техническая информация о выполненных в 1996 .-ооу исследованиях на тему: Исследование сдвижения горных пород на месторождениях Кировградского мелькомбината для установления возможности использования на них подработанных территорий / Унипромсдь. - Екатеринбург. 1996.
7. Шагалов С И. и др. Защита и подработка здании. - М: Недра. 1974.
УДК 622.833.5.001.24
О. В. Зотеев
УЧЕТ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ ПРИ ОЦЕНКЕ УСТОЙЧИВОСТИ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РАЗРАБОТКИ
Основным методом оценки устойчивости конструктивных элементов систем разработки полезных ископаемых в настоящее время является расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) скальных массивов Однако классические схемы расчета НДС ориентированы на моделирование ситуации на конечной стадии отработки запасов и не учитывают последовательности развития горных работ. В то же время совершенно очевидны три фактора, требующие при моделировании НДС и оценке устойчивости элементов систем разработки учета порядка выемки запасов и производства закладочных работ:
1. Потеря устойчивости конструктивных элементов может произойти на любой стадии отработки запасов
2. Выработанное пространство формируется постепенно По мерс развития горных работ непрерывно происходит деформирование структурных блоков, их взаимное перемещение и изменение в результате этих перемещений прочностных и деформационных характеристик контактов. Очевидно, что при высоком уровне первоначальных напряжений на любой из стадий отработки могут происходить необратимые деформации всех структурных элементов массивов. Деформационные характеристики массива в этом случае приобретут нелинейный характер, а в окрестности выработанного пространства может образоваться зона неупругих деформаций (ЗНД). параметры которой зависят от последовательности отработки запасов.
3. Механизм взаимодействия искусственного и вмещающего массивов также определяется порядком ведения добычных и закладочных работ: созданный блок закладки первоначально не нагружен ни весом налегающих пород, ни действующими в массиве горизонтальными силами. При дальнейшей отработке запасов происходит дополнительное деформирование вмещающего массива, приводящее к нагружению закладки. Очевидно, что величина напряжений, действующих в закладочном массиве, будет зависеть от соотношения модулей деформации скального массива и закладки, размеров и формы выработанного пространства в целом и отдельного выемочного блока. а также от порядка выемки запасов и заполнения выработанного пространства
Влияние последовательности изменения формы и размеров выработанного пространства на НДС массива может быть учтено на основе применения моделей нелинейно-упругих разу проч-няющихся сред. Схема расчета в этом случае представляет собой серию последовательных решений нелинейно-упругих задач, на каждой из которых определяются форма и размеры ЗНД Результаты полученного решения, т.е. расчетные значения секущих модулей деформации, использу ются в качестве начальных условий при расчете НДС массива на следующей стадии отработки. Отображение изменения контура выработанного пространства достигается присваиванием нулевого модуля деформации всем попадающим в него конечным элементам
Влияние порядка развития очистных работ на НДС массива можно проиллюстрировать на примере Узельгинского месторождения (Учапинский ГОК). Рудное тело № 7 представляет собой горизонтально залегающую линзу, имеющую мощность около 35 м в центральной части и около 4 м по краям, и оконтурено зоной хлорит-серицитовых сланцев мощностью около 4 м. Отработку запасов предполагалось вести тремя панелями, разделенными целиками по 30 м каждый. Каждая
из панелей должна была отрабатываться камерной системой с последующим заполнением образующихся пустот твердеющей закладкой. Проектная ширина камер - 10 м. высота равна мощности рудного тела. Выемка камер по проекту должна вестись в три очереди При выемке запасов предполагается опережающая отработка центральной части рудного тела.
Как отмечалось выше, закладка помещается в уже сформированный массив и первоначально не воспринимает на себя никакой нагрузки. Поэтому было принято решение смоделировать ситуацию, когда закладка отсутствует, а все три панели отработаны полностью. Если потолочины этих больших камер и рудные междупанельные целики сохранят устойчивость, то требуемая задача будет решена. В расчетах использовалась модель хрупко разрушающейся среды с остаточной прочностью. Остаточное сцепление принималось равным одной десятой начального сцепления При оценке устойчивости в области сжимающих напряжений использовался критерий Кулона - Мора Прочность на растяжение принималась равной одной трети от сцепления материала. Результаты расчетов в виде положения зон неупругой деформации приведены на рис. 1.
Рис. 1. Положение зон неупругой деформации при расчетах без учета последовательности отработки запасов:
черной заливкой показаны ЗИЛ, штриховкой - междупанельные целики
ЗНД, показанные на рисунке черной заливкой, соответствуют областям разрушения массива. образующимся при отработке камерных запасов, и локализуются в пределах хлорит-серицитовых сланцев, имеющих пониженные прочностные и деформационные характеристики Очевидно, что на конечной стадии отработки между панельные рудные целики и кровля выработанного пространства сохраняют устойчивость.
Однако моделирование выемки двух камер первой очереди в центральной панели показывает. что уже на этой стадии большая область массива переходит в запредельное состояние (рис. 2). При этом неупругие деформации захватывают также и рудный массив в местах расположения камер второй и третьей очередей. Объясняется это высоким уровнем горизонтальных напряжений (горизонтальные напряжения, действующие в крест простирания, превышают вертикальные почти в 1.5 раза), а также низким модулем деформации зоны хлорит-серицитовых сланцев.
1 11 1 ^ *
Рис. 2. Положение зон неупругой деформации после выемки камер первой очереди в центральной части рудного тела
Для повышения запаса устойчивости конструктивных элементов необходимо изменить соотношение пролета и высоты камер, для чего следует увеличить их ширину в центральной панели, или начинать отработку запасоз на флангах рудного тела. Результаты моделирования НДС массива при отработке камер первой очереди панели на фланге и отказе от опережающей выемки запасов центральной части рудного тела, приведенные на рис. 3, подтверждают это. Моделирование НДС массива при условии опережающей выемки запасов панелей на флангах рудного тела показывает, что на каждом этапе отработки конструктивные элементы сохраняют устойчивость, а для конечной стадии результаты расчетов практически совпадают с результатами, приведенными на рис. 1. Таким образом, опережающая отработка маломощной части рудного тела на флангах создаст эффект, аналогичный воздействию экранирующих защитных щелей. Отказ же от учета последовательности развития горных работ может привести к аварийным ситуациям, когда запасы камер второй и третьей очередей в центральной части рудного тела будут частично потеряны.
Рис. 3. Положение зон неупругой деформации после выемки камер первой очереди на фланге рудного тела
Необходимость применения специальных приемов при учете последовательности развития горных работ в расчетах НДС закладочного массива определяется несоответствием реального механизма совместного деформирования закладки с вмещающими породами и канонических расчетных схем. Последние предполагают, что в области деформирования сначала сделан вырез (полость), затем в нем размещена закладка, и только потом к границам области прикладываются заданные нагрузки. Результатом такого несоответствия является завышение напряжений, действующих в закладке, а значит и превышение отпора, который она оказывает.
Дпя исключения этих погрешностей необходимо вести расчет НДС массива в виде дополнительных напряжений и деформаций, вызываемых отработкой или закладкой очередной элементарной выемочной единицы с последующим суммированием этих результатов с начальными напряжениями и деформациями. Такой подход был обоснован в работе «Методология расчета горного давления»* и назван авторами методом последовательных циклов В случае применения метода конечных элементов требуемая расчетная схема выглядит следующим образом:
1. Дтя каждого из блоков закладки, которые будут размещаться в выработанном пространстве. рассчитываются тензоры начальных напряжений и деформаций, определяемые весом закладки в условиях стесненного бокового расширения. Результаты расчетов в виде стандартных результатов элементов для каждого такого блока записываются в отдельный файл
2. Дтя первого вынимаемого блока (камеры, заходки) обычно решается задача о распределении напряжений и деформаций в его окрестности Всем конечным элементам, находящимся в пределах этого блока, присваивается пренебрежимо малый (нулевой) модуль деформации. Дтя каждого элемента определяются компоненты полных напряжений и деформаций. Полученный вектор стандартных результатов соответствует моменту отработки камеры.
3. В найденном векторе результаты всех элементов, находящихся в контуре выработанного пространства, заменяются результатами элементов, соответствующих блоку закладки, размещае-
* Методология расчета горного давления / Кузнецов C.B.. Одинцев В Н.. Слоним М.Э.. Трофимов В. А. - М.: Наука. 1981. - 103 с.
мому в пределах этой камеры Полученный вектор результатов определяет компоненты полных напряжений и деформаций на момент отработки камеры и -заполнения ее закладкой. Если этот блок закладки был последним, то расчеты заканчиваются
4. Переходим к вычислению дополнительных деформаций и напряжений, вызываемых выемкой запасов следующей камеры (заходки). Для этого обнуляются модули деформации элементов. находящихся в контуре отрабатываемой камеры, а из стандартных результатов этих элементов. полученных в п 3. составляется глобальный вектор узловых сил (результаты остальных элементов и граничные условия, использованные в п. 2, не учитываются). С полученным глобальным вектором узловых сил и новой глобальной матрицей жесткости производится расчет дополнительных напряжений и деформаций. Вектор узловых сил для любого конечного элемента может быть получен с помощью следующего соотношения:
{/еЫкГЬК
(I)
где {/,} - вектор узловых сил отдельного конечного элемента. |Л',) - транспонированная матрица функций формы узлов этого элемента; {&„} - вектор-столбец компонент тензора напряжений, действующих в этом элементе (полные напряжения, полученные в п 3).
5. Полученные компоненты дополнительных напряжений и деформаций прибавляются к компонентам полных напряжений и деформаций, определенных в п. 3. При решении линейно-упругих задач процесс возвращается в п. 3.
6. При моделировании нелинейно-упругих сред производится проверка выполнения выбранных критериев прочности в каждом конечном элементе В случае необходимости производится корректировка деформационных свойств элементов, перешедших в запредельное состояние, составляется новая глобальная матрица жесткости и проводится новый расчет НДС массива пород и закладки с прежним глобальным вектором узловых сил После этого процесс возвращается на и 5. Итерации продолжаются до тех пор, пока погрешность расчетов превышает заданную.
Для учета качества контакта закладки с вмещающим массивом рекомендуется использовать модель упрочняющейся среды. Очевидно, что начальный модуль деформации такой среды должен быть равен нулю или пренебрежимо малой величине. При достижении максимальной сжимающей деформацией какой-то критической величины с,р начинается рост модуля деформации Максимальная величина модуля деформации не должна превышать наибольшего из модулей деформации контактирующих материалов и, как правило, должна совпадать с модулем деформации закладки. Выражение, определяющее модуль деформации, в общем случае имеет следующий вид:
Ой Е ~Е0 + (е^ - Е0)
(2)
где £и - нормальная к поверхности контакта деформация. ¿^ - нормальная деформация, при которой достигается предельный модуль деформации, Ео - значение начального модуля деформации при ен < екр (Е0 » 0); Е^ - значение максимально возможного модуля деформации контакта. /> -безразмерн ы й параметр.
Возможности метода последовательных циклов проиллюстрированы на рис. 4. 5, где приведено распределение напряжений в закладке и вмещающих породах, сформировавшееся в результате отработки 12 камер. При расчетах моделировалась выемка запасов камерами в 3 очереди (рис. 4), причем одновременно отрабатывалось по 4 камеры каждой очереди. Моду ли деформации вмещающих пород и руды принимались равными 2000 МПа. моду ль деформации закладки - 200 МПа. Первоначальное напряженное состояние определялось следу ющим образом:
а,-10 МПа; о. 15 МПа.
' т 1!* 3 1 7 3 нтрттт 1'
А (1Л2) 1,1«, м (в) 17)||«>;<*>|1о в
Рис. 4 Схема расположения камер и очередность отработки запасов:
1 - 3 - очередность отработки камерами в 3 очереди. (/) -{12) - очередность сплошной отработки
Приведенные результаты расчетов дают возможность оценить основные закономерности формирования НДС искусственнсго и породного массивов. Распределение напряжений в искусственном массиве крайне неравномерно: наиболее нагруженными оказываются те блоки закладки, которые были возведены первыми. Однако концентрация напряжений, ориентированных параллельно длинной стороне вынимаемых камер (в данном примере - напряжения ст.), в блоках, примыкающих к вмещающему массиву, ниже, чем в блоках, возведенных в то же время, но находящихся в центре выработанного пространства Характер распределения напряжений вблизи контакта двух блоков закладки, возведенных в разное время, аналогичен распределению напряжении вблизи контакта пород с разными модулями деформации
ми ж ГУ.
Л ' А
7 =
■
? И
1
I.
1\
1
. <5 А"
I
у-
■.г
. и. .
Л ^ 1
р»::'.)—«. а
Ц» ■ ,
Рис. 5. Распределение напряжений в породном и искусственном массивах на различных стадиях отработки:
1. 2. 3 - ситуации на момент отрасчлки и закладки камер 1-й, 2-й и 3-й очередей соответственно, пунктиром показаны границы камер
Напряженное состояние массива пород при использовании закладки выработанного пространства также отличается от ситуации, когда очистное пространство остается открытым: концентрация напряжений а: существенно снижается При этом разгрузка напряжений ах, перпендикулярных длинной стороне камер, уменьшается ее стороны блоков, вынимавшихся первыми. Со стороны же блоков, вынимавшихся последними, величина разгрузки напряжений сх остается практически не изменной.
Задававшаяся в расчетах величина недозаклада камер предопределила большую величину прогиба пород кровли, необходимую для образования жесткого контакта закладки с вмещающим массивом (около 70 м). Максимальная величина прогиба естественно была в центре пролета выработанного пространства. Следствием этого является 0тс>тствие контакта пород и закладки после отработки камер второй очереди. Устойчивость кровли при этом определялась условиями деформирования рудных целиков, воспринимающих всю нагрузку от толщи вышележащих пород. Естественно. что в таких условиях величина вертикальных напряжений в рудных целиках достигала 33 - 35 МПа. Одновременная отработка четырех камер 3-й очереди приводит к резкому увеличению пролета выработанного пространства и образованию в его центре жесткого контакта закладки и породы. Такой механизм деформирования массива обуславливает формирование повышенного уровня вертикальных напряжений в центральной части искусственного массива (а: = 6 ч- 8 МПа). При этом в краевых частях искусственного массива величина напряжений не превышает 3 МПа Таким образом, отработка запасов с оставлением временных рудных целиков в случае устойчивой кровли требует применения закладки, имеющей высокие прочностные характеристики.
В случае сплошной выемки запасов с фланга на фланг без оставления рудных целиков (рис. 6) деформирование кровли происходит более плавно. Максимальная концентрация вертикальных напряжений, действующих в искусственном массиве, также приурочена к центральной части выработанного пространства, но их величина не превышает 3 МПа, причем в этой же области действу ют горизонтальные напряжения <тх. величина которых составляет около 1 МПа. Таким образом, применение сплошной выемки облегчает обеспечение условий устойчивости искусственного массива и позволяет использовать закладку меньшей прочности, чем отработка с использованием временных ру дных целиков.
Результаты проведенных расчетов позволяют утверждать, что наиболее безопасной схемой отработки запасов камерами будет сплошная разработха. Отказ от оставления рудных целиков приводит к снижению девиатора тензора напряжений, повышению запаса устойчивости искусственного массива. Напряженное же состояние вмещающих пород практически не зависит от порядка ведения работ
Запас прочности искусственного массива при отработке запасов с оставлением временных рудных целиков можно несколько увеличить, если отрабатывать камеры 3-й очереди не одновременно. а поодиночке. При этом после отработки каждой такой камеры должен производиться цикл закладочных работ, а дальнейшая отработка запасов может начинаться лишь после достижения закладкой нормативной прочности. Распределение напряжений, формирующееся при такой схеме работ, приведено на рис. 6 (моделировалась отработка временных целиков с фланга на фланг).
Поочередная отработка и закладка камер 3-й очереди способствует более плавному прогибу пород кровли. Это. в свою очередь, приводит к снижению вертикальных напряжений в закладке на 2 - 3 МПа и небольшому повышению горизонтальных напряжений, повышающему запас устойчивости искусственных целиков. При этом величина запаса прочности будет наименьшей только в центральной части выработанного пространства Очевидно, что отработка камер 3-й очереди от центра к флангам обусловила бы более благоприятную геомеханическую ситуацию
1. Разработанный метод расчета НДС с учетом последовательности выемки запасов позволяет определить условия возникновения, а также размеры и форму областей разру шения массива (зон неупругой деформации) и выбрать оптимальный порядок отработки запасов.
2. Метод последовательных циклов позволяет оценить напряженное состояние породного и искусственного массивов с учетом размеров и формы выработанного пространства, порядка отработки запасов, первоначального напряженного состояния, прочностных и деформационных свойств закладки, ру д и вмещающих пород, а также с у четом недозаклада камер
3. Прочностные и деформационные характеристики пород кровли, определяющие условия формирования контакта пород с закладкой, являются наиболее весомым фактором при формировании НДС породного и искусственного массивов
Рис. 6. Распределение напряжений на момент окончания отработки:
/ - сплошная отработка без оставления рудных целиков; 2 - одновременная отработка всех камер 3-й очереди. 3 - поочередная отработка камер 3-й очереди
Выводы
4. При однослойной выемке запасов или отработке верхнего слоя рудного тела наиболее предпочтительным является ведение очистных работ без оставления рудных целиков.
Работа выполнена при поддержке межву зовского фонда по фундаментальным исследованиям в области горных наук: конкурс грантов 1998 г.
УДК 622. 271.3
A.A. Светлаков, В.И. Зобнин
СОСТОЯНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ БОРТОВ КАРЬЕРОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ УРАЛЬСКИХ МЕДНОКОЛЧЕДАННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ
При открытом способе разработки большое значение имеют условия, обеспечивающие устойчивость бортов карьеров. В настоящее время часть уральских карьеров дорабатывается (Си-байский, Уч&тинский), часть доработаны до проектных глубин (Гайские №1 и №2, Молодежный, Объединенный).
На основании исследований фактического состояния устойчивости бортов карьеров в настоящей статье рассмотрены вопросы устойчивости бортов карьеров, основные причины, вызывающие деформации бортов, и методы борьбы с ними. Все эти вопросы являются весьма актуальными для проектирования новых карьеров и отработки месторождений открытым способом. Параметры некоторых карьеров уральских медноколчеданных месторождений представлены в таблице.
Уральские медноколчеданные месторождения характеризуются сложными геатогически-ми условиями, зонами рассланиевания и дробления пород и большим количеством литологиче-ских разностей пород (1]. Эти месторождения можно отнести к третьей подгруппе второй группы классификации инженерно-геологических комплексов по устойчивости откосов проф. Г.П. Фисен-ко [4J.
Параметры некоторых карьеров уральских медноколчеданных месторождений
Карьер Гл\бина. м Высота уступа в предельном контуре, .ч Углы откосов уступов, град Углы наклона бортов, град
проектная фактическая в рыхлых отложениях в полускальных породах в скальных породах
¡Тайский №1 320 320 30 20-30 40-45 50-60 27-31
Гайский №2 245 245 20-45 22-30 40-45 50-55 28-32
Учалинский 350 340 24-36 25-30 40-45 50-65 33-41
Молодежный 236 236 20-24 25-30 40-45 55-60 30-32
Сибайский 504 465 30-36 30-35 40-45 60-70 36-42
Рудные тела, как правило, залегают среди осадочных, эффузивных, интрузивных пород различного состава и их измененных разновидностей. Породы в основном средней крепости с пределом прочности на сжатие 20 - 160 МПа. Коренные породы месторождений покрыты рыхлыми образованиями мощностью zo 70 м в виде элювиально-делювиальных и аллювиальных отложений. которые представлены песчаной глиной с обломками коренных город и прослойками песка. Элювий представлен древней корой выветривания материнских пород. Четкой границы между корой выветривания и неизмененными породами нет. Зона перехода от пород коры вызстривания к коренным представлена полускальными породами с пределом прочности на сжатие 8-30 МПа и мощностью 0-40 м.
В гидрогеологическом отношении месторождения характсризу ю~ся сравнительно небольшой водообильностью. Суммарные водопритоки в карьерах составляют 65 - 200 м3/ч Глубина за-
