CC BY
23
© В.А. Шалауров, А.И. Быкадоров, 2003
УАК 622.272
В.А. Шалауров, А.И. Быкадоров
УПРАВЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННЫМ СОСТОЯНИЕМ ГОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ОБРАЗОВАНИЕМ ИСКУССТВЕННЫХ ТРЕЩИН
В условиях разработки
твердых полезных ископаемых нередко возникает необходимость в оставлении целиков различного технологического назначения. На больших глубинах они испытывают повышенные нагрузки, способны к разрушению, нередко в динамической форме, и теряют свое функциональное назначение. Иллюстрацией может служить разработка весьма мощной пологопадающей рудной залежи Восток-1 Николаевского полиметаллического месторождения. Глубина работ на руднике достигла 900 м. В исходном поле напряжений наибольшими являются тектонические: действующие по простиранию залежи превышают гравитационные в 2,5 раза, вкрест простирания в 1,5 раза [1].
С 1998 г. на месторождении осваивается сплошная камерная система разработки с обрушением кровли [2]. Очистная выемка осуществляется в две стадии. На первом этаже отрабатывается первичная камера, на втором -производится отбойка целика, временно поддерживающего кровлю, и после выпуска руды из подконсольного пространства обрушаются налегающие породы [3]. При мощности залежи 30 -40 м приняты следующие параметры системы разработки: ширина первичной камеры - 20 м, целика - 15-20 м, высота обрушения кровли не менее мощности рудного тела.
Другим примером технологического использования целиков является управление поведением подрабатываемого массива пород при выемке запасов магнетито-вых руд под водными объектами Шерегешевского месторождения в Горной Шории [4]. Для месторождения также характерны вы-
сокие тектонические напряжения: максимальные, ориентированные по простиранию залежи, ох=2,9уН, ортогональные им = 1,6уН. Сплошная выемка слепой крутопадающей залежи мощностью от 20-30 м до 100-150 м с засыпкой выработанного пространства хвостами обогащения или некондиционными рудами по оценке приводит к выходу обрушений на поверхность, что неприемлемо по условию прорыва воды в горные выработки. Для сохранения поверхности, согласно расчетам методом конечных элементов, требуется оставление барьерных целиков шириной 40 м с расстоянием между ними 100120 м при общей длине Подру-слового участка 400 м.
Для названных примеров важно иметь способы и технологические решения для управления напряженным состоянием массива в зоне влияния горных выработок. Одним из перспективных средств перераспределения напряжений и разгрузки массива в целиках является создание искусственных трещин методом ориентированного флюи-доразрыва [5].
Особенности взаимодействия разделенных искусственным разрывом частей массива определяются механическими свойствами образованной в нем щели, заполненной вязкопластическим флюидом. Искусственный разрыв уменьшает сцепление между берегами трещины, что создает условия для сдвига по ней отдельных блоков массива пород. Сдвиг массива предполагает возможность перераспределения напряжений и переход в новое, менее напряженное состояние равновесия. Задача исследования
- определение условий развития сдвига и ориентировки искусст-
венных трещин, способных изменить напряжения с благоприятным для устойчивости целиков результатом.
В целях изучения возможности управления напряженным состоянием массива пород в зоне влияния горных выработок созданием ориентированных щелей проведены эксперименты на плоских моделях из оптически чувствительного материала СД-8 и по ряду схем выполнено объемное компьютерное моделирование методом конечных элементов (МКЭ) . В моделях в качестве условия по искусственной трещине принималось: сцепление по плоскости разрыва определяется предельным напряжением сдвига материала флюида; напряжения, ортогональные плоскости, передаются в массиве без изменения их величины. В фотоупругих моделях ориентированный флюидо-разрыв выполнялся пропиливанием щелей с последующим заполнением их пакетом фторопластовой пленки. Двухосное нагружение моделей осуществлялось внешними сжимающими силами [6].
Использование физического моделирования позволяет визуально наблюдать динамику сдвига массива по щели и происходящего при этом изменения напряжений в целиках и боковых породах. В процессе нагружения оптического материала картина изохром начинает просматриваться до реализации сдвига. Когда в модели температура повышается до порогового уровня (и определяемого этим модуля деформирования фотоупругого материала) происходит сдвиг и картина напряжений резко меняется.
Напряжения в расчетах методом конечных элементов показаны в виде изохром с заданным градиентом изменения ттх, а на физических моделях величина касательных напряжений определяется порядком полос в картине изохром и градиентом изменения их, определяемом свойствами материала модели. Для материала СД-8 цена полосы равна 0,015 МПа. С учетом мас-
Компьютерное моделирование выполнено к.т.н. И.Л. Болтенгагеном
штаба моделирования силового поля (1: 600) перепад ттах между смежными полосами изохром в переводе на натуру составляет 9 МПа.
В моделях параметры залежи и горных выработок принимались в соответствии с натурными условиями: мощность рудного тела
- 40 м, ширина первичной камеры и целика одинакова и равна 20 м, высота принудительно об-рушаемой кровли - 40 м, пролет выработанного пространства -150 м.
Предложенное средство снижения нагрузки на целик - принудительное обрушение кровли выработанного пространства -позволило уменьшить опорное давление в целике на 25-30 %. Однако центральная по высоте область его на глубинах 900 и более метров находится в критическом состоянии. Нормальные напряжения в массиве целика составляют: сжимающие о1 - до 40 МПа, растягивающие сг2 - до 10 МПа. Напряжения о1 ориентированы по высоте целика. В этой ситуации характерна повышенная концентрация касательных напряжений особенно в центральной части целика [3].
Эксперименты по управлению
Рис. 2. Распределение напряжений во временном целике: а - без щели ОФР; б, г - с щелью
Рис. 1. Распределение напряжений Ттах во временном целике: а, б - без щели; в, г - с ориентированным разрывом (а, в -результаты физического моделирования; б г - расчета методом конечных элементов)
напряженно-деформированным состоянием массива временного целика были выполнены путем образования щели, с плоскостью сечения, имеющей уклон или подъем от первичной камеры к обрушенному выработанному пространству. Необходимо отметить, что оба метода показали весьма близкое равенство касательных напряжений в характерных зонах массива, в том числе в целике (рис. 1).
Результаты аналитического расчета главных напряжений (о1) для ситуаций, соответствующих моделям приведены на рис. 2. В случае ориентации щели с наклоном к выработанному пространству (рис. 2б) отмечается сдвиг кровли по плоскости флюидоразрыва к свободной поверхности. В этом случае следствием сдвига по искусственной трещине является осадка кровли на величину Мы = /\lSiny, где А1 -величина сдвига по щели, у -угол наклона щели к плоскости залежи. Расчет МКЭ показал, что А1 = 0,2 м. Если наклон трещины у = 300 осадка кровли равна 0,1 м. В результате происходит пе-
рераспределение горного давления: временный целик разгружается как от сжимающих, так и от растягивающих напряжений; в кровле выработанного пространства и впереди камеры давление возрастает.
В варианте ориентации щели с подъемом от целика (рис. 2с) наблюдается явление надвига с перемещением кровли в сторону выработанного пространства. Сдвижение массива с подъемом по наклонной плоскости под действием концентрации тектонических напряжений сопровождается повышением нагрузки на целик с вектором перпендикуляра к плоскости флюидоразрыва. Надвиг прекращается, когда силы, вызывающие перемещения, и силы гравитации, препятствующие ему, выравниваются по величине. В установившемся состоянии равновесия главные напряжения в целике увеличиваются на 10 МПа в сравнении с ситуацией без щели. В зоне выхода флюидоразрыва в выработанное пространство появляются растягивающие напряжения, и со стороны камеры сжимающие нагрузки возрастают. Условия устойчивости целика ухудшаются.
Сравнивая последствия сдвига по флюидоразрыву в вариантах ориентации его с наклоном и подъемом от первичной камеры к выработанному пространству, следует отметить следующее. В первом случае перемещение массива кровли целика по щели приводит к оседанию ее. Сдвиговым деформациям способствуют свобода перемещения в выработанное пространство и конвергенция почвы и кровли. Во втором случае надвиг по трещине неизбежно сопровождается подъемом массива над щелью, ограничен-
Рис. 3. Изменение напряжений Д*ах в барьерном целике под влиянием трещины ориентированного флюидоразрыва: а) без трещины; б) с наклонной трещиной над целиком; в) с наклонной, секущей целик, трещиной; 1 - трещина ориентированного флюидоразрыва
ным противодействием гравитационной составляющей напряжений. В результате перемещение массива возможно только за счет роста упругих деформаций целика, т.е. роста напряженности его.
В ситуации, когда щель пройдена по нормали к вертикальной оси целика и является продолжением кровли камеры, результатом сдвига является разгрузка целика с картиной распределения напряжений, близкой к показанной на рис. 2б. Отметим также, что искусственные разрывы в подкровельной зоне не оказывают заметного влияния на напряженное состояние массива пород в основании отрабатываемого участка (блока).
В оценке состояния барьерного целика сравнивались варианты: а) без искусственного разрыва; б) с наклонной щелью флюидоразрыва в кровле целика с выходом на одно из выработанных пространств; с) с наклонной щелью под тем же углом, выполненной в барьерном целике. Модели
нагружались силовым полем, подобным предыдущей серии экспериментов. На рис. 3 показаны полученные при нагружении моделей изолинии максимальных касательных напряжений (Ттах) для этих вариантов. Сравнение картины по Ттах показывает, что наклонная искусственная щель, пройденная в кровле над целиком и выходящая на одну из выработок (рис. 2б), изменяет поле напряжений. Отметим также, что образование наклонной искусственной щели в кровле барьерного целика (рис. 3б) сопровождаются ростом
сжимающих напряжений в диагонально расположенных его участках у кровли и почвы и, как следствие, высокие касательные напряжения в его массиве. Рост тангенциальных и сжимающих напряжений ухудшает условия устойчивости целика.
В варианте, когда наклонная трещина флюидоразрыва рассекает барьерный целик, соединяя оба выработанных пространства
(рис. 3с), сдвиг по ней сопровождается конвергенцией сопредельных частей массива, что приводит к разгрузке целика и вмещающих пород в его окрестности. Это создает условия для уменьшения размеров барьерных целиков и, тем самым, снижения потерь ископаемых в недрах.
Заключение
Ре зультаты моделирования
показывают целесообразность использования ориентированного флюидоразрыва для разгрузки конструктивных элементов горных сооружений и перераспределения напряжений в массиве. Эффективность использования искусственного разрыва определяется, в первую очередь, созданием условий для сдвига массива и конвергенции боковых пород. При разработке пологих залежей в условиях высоких тектонических напряжений сдвиговые деформации массива целиков достигаются при флюидоразрыве, секущем последние и соединяющие смежные выработки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Барышников ВД, Курленя М.В, Пирля К.В. и др. О напряженно-деформированном состоянии Николаевского месторождения. // ФТПРПИ. - 1982. - № 2
2. Патент РФ № 2099527. Способ разработки месторождений полезных ископаемых / Фрейдин А.М., Шалауров В.А., Кореньков Э.Н. и др. Опубл. в БИ 1997, №35.
3. Болтенгаген И.Л, Кореньков ,Э.Н, Попов С.Н, Фрейдин АМ. Геомеханическое обоснование параметров сплошной камерной системы разработки с обрушением пород кровли. ФТПРПИ. -1997. - № 1.
4. Патент РФ № 2147683. Способ разработки слепых рудных залежей под охраняемыми объектами / Фрейдин
А.М., Шалауров В.А., Кореньков Э.Н. и др. Опубл. в БИ 2000, №11.
5. Чернов О.И. Гидродинамическая стратификация монолитных прочных пород в качестве способа управления труднообрушающейся кровлей. // ФТПРПИ. - 1982. - № 2.
6. Свидетельство на полезную модель № 16378. Стенд для нагружения моделей. Шалауров В.А., Усков В.А., Курнаков В.Н. Бюл. № 36, 2000 г.
7. Чернов О.И, Фролов Б.А, Красников Н.Я., Шепелев Л.Н. Результаты экспериментов по гидродинамической стратификации монолитного породного массива с целью его разупрочнения. // ФТПРПИ. -1985. - № 6.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Шалауров В.А., Быкадоров А.И. - Институт горного дела СО РАН.
Файл: ШАЛАУРОВ
Каталог: G:\По работе в универе\2003г\Папки
2003\GIAB11~03 Шаблон:
C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsof t\Шаблоны\Normal.dotm Заголовок: УПРАВЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННЫМ СОСТОЯНИЕМ
ПОДЗЕМНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ОРИЕНТИРОВАННЫМ ФЛЮИДОРАЗРЫВОМ МАССИВА ПОРОД Содержание:
Автор: L372b
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания: 21.08.2003 16:44:00
Число сохранений:14
Дата сохранения: 22.08.2003 11:06:00 Сохранил: Гитис Л.Х.
Полное время правки: 46 мин.
Дата печати: 09.11.2008 18:17:00 При последней печати страниц: 3
слов: 1 8 69 (прибл.)
знаков: 10 658 (прибл.)
