Выбор места возведения рудоспуска на основе применения конечноaэлементного моделирования с использованием программного комплекса CAE Fidesys Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2019-1-143-56-59

Выбор места возведения рудоспуска на основе применения конечно-элементного моделирования с использованием программного комплекса CAE Fidesys

МА Соннов, заместитель генерального директора ООО «ФИДЕСИС»

А.Е. Румянцев, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, ООО «Институт Гипроникель», Санкт-Петербург

A.В. Трофимов, канд. техн. наук, заведующий центром физико-механических исследований, ООО «Институт Гипроникель», Санкт-Петербург

B.Б. Вильчинский, канд. техн. наук, заведующий горной лабораторией, ООО «Институт Гипроникель», Санкт-Петербург А.П. Киркин, стажёр-испытатель ООО «Институт Гипроникель», Санкт-Петербург

А.В. Баженова, стажёр-испытатель ООО «Институт Гипроникель», Санкт-Петербург_

Введение

В процессе эксплуатации протяженных (глубоких) рудоспусков, расположенных на больших глубинах, в породах сильной нарушенности и низкими физико-механическими свойствами зачастую происходит постепенное разрушение стенок и их расширение, в результате образовавшаяся полость оказывает негативное влияние на устойчивость стратегических капитальных выработок, расположенных рядом с ними.

Подобные ситуации могут приводить к негативным последствиям, таким как: снижение экономической эффективности и безопасности производства, невозможность полноценного извлечения запасов.

В работе для моделирования вариантов размещения нового рудоспуска применен комплексный подход, в котором учитывались физико-механические свойства пород, слагающих массив, путем проведения испытаний кернов горных пород из геотехнических скважин, пробуренных в рассматриваемой области, параллельно с испытаниями проводилось детальное геотехническое описание массива и выделялись домены, которые принимались для моделирования в конечно-элементной постановке.

Следует отметить, что численные методы широко используются в последние несколько десятилетий благодаря прогрессу в вычислительной мощности [1].

Моделирование

Моделирование напряженного состояния массива в 3Б-постановке в районе ствола, рудоспуска и проектируемого рудоспуска выполнено в программном комплексе CAE Fidesys [2].

В данной CAE системе при прочностном и других расчетах используется метод конечных элементов - численный метод решения задач прикладной механики. Метод широко используется для решения задач механики деформируемого твердого тела.

Моделирование задач геомеханики связано с большими объемами вычислений. Определяется это в первую очередь значительными размерами моделируемых участков, с повышением точности разбиения модели на конечные элементы в интересующих областях.

Создание 3Б-модели проводилось в программе AutoCAD на основе планов разрезов и маркшейдерской съемки контура рудоспуска. Варианты размещения нового рудоспуска согласовывались с проектной организацией. В результате построений получена 3D-модель, представленная на рис. 1.

Рис. 1

Совмещенная 3D-модель с вариантами размещения возводимого рудоспуска и геотехническими скважинами РС-1 и РС-2

Рис. 2

Модель в программе CAE Fidesys,

разделенная на домены

Рис. 3 Модель, разбитая на конечные элементы

После импорта в программу CAE Fidesys над моделью проводился ряд булевых операций, затем модель разбивалась на домены (рис. 2), которые были определены по геотехническим скважинам РС-1 и РС-2, после чего строилась конечно-элементная сетка, сгущающаяся от периферии к стволу и рудоспускам (рис. 3).

Таблица 1 Физико-механические свойства, принятые к расчетам в модели

Material

from

to

Elastic modulus Em, GPa

Poisson ratio, v

Density, kg/ m3

UTS

о pm, MPa

UCS о cm, MPa

Cohesion n Cm, MPa

Friction n angle ф, deg.

Dilatancy у angle, deg.

rs1-1

-684

-742

12,84

0,25

2800

2,57

18,01

4,21

39,00

32,18

rs1-2

-742

-784

37,53

0,25

2800

0,25 2800

5,83

50,17

13,14

34,75

29,68

rs1-3

-784

-867

12,49

2,53

17,90

4,05

41,10

33,32

rs1-4

-867

-906

26,87

0,25

2800

0,25 2800

2,69

33,27

9,30

31,60

27,65

rs2-1

-702

-756

18,55

2,36

19,81

4,50

41,10

33,32

rs2-2

-756

-802

21,81

0,27

2800

2,41

0,25 2800

9,26

2,31

37,00

31,04

rs2-3

-802

-822

18,26

1,94

23,33

5,8

36,60

30,80

rs2-4

-822

-906

11,43

0,28

2800

0,25 2800

1,80

,64

2,30

36,40

30,69

massive

-600

-1100

18,40

2,47

18,91

4,35

36,80

30,92

stvol

-700

-906

27,5

0,20

2450

4,00

26,00

6,10

40,00

32,73

zakladka

-700

-906

0,3

2100

0,4

2,9

2,1

36

30,45

Модель разбивается на блоки, различающиеся по физико-механическим свойствам (табл. 1), после чего накладываются граничные условия, которые включают в себя:

- запрещение перемещений по всем направлениям для нижней плоскости модели;

- нижнюю плоскость модели, условно расположенную на глубине 1200 м от поверхности земли, таким образом, на верхнюю плоскость модели на глубине 700 м приложено равномерно распределенное давление 19,6 МПа, что соответствует давлению, оказываемому столбом (толщей) горных пород высотой 700 м;

- запрещение перемещений для боковых граней модели по соответствующим осям;

- заданное действие гравитации для всей модели.

После проделанных подготовительных операций запускается расчет модели в упругопластической постановке.

Всего произведено 6 расчетов, по 2 для каждого варианта (рис. 3, варианты: 3, 4 и 6, 5), сначала модель рассчитывалась без закладки существующего рудоспуска, затем с закладкой.

Для примера подробно рассмотрим один из вариантов (вариант 3).

\ 1

-, щ

г

г

Рис. 5 Вариант 3: с закладкой существующего рудоспуска, горизонтальные напряжения главные 1 и главные 2

Значения горизонтальных главных напряжений сжатия (знак -) и растяжения (знак +) по максимальным значениям, если сравнивать с вариантом без закладки существующего рудоспуска (рис. 4), остались без изменений, однако отчетливо прослеживается снижение влияния полости существующего рудоспуска в диапазоне от горизонта -700 м до горизонта -850 м, что положительно сказывается на устойчивости ствола и планируемого рудоспуска в этом диапазоне глубин.

Рис. 4

Главные горизонтальные напряжения сжатия (знак -) в области рудоспуска и горизонтальной выработки на горизонте -906 м находятся в диапазоне для главных 1 от 0,25 до 16,8 МПа, для главных 2 от 0,23 до 36,8 МПа; эти области сосредоточены от горизонта -800 м до -906 м. Растягивающие напряжения (знак +) для главных 1 изменяются от 0,47 до 12 МПа, для главных 2 от 0,73 до 1,7 МПа, напряжения сосредоточены в камере перегруза на горизонте -800 м, почве горизонтальной выработки и сопряжениях выработок, а также на контуре существующего рудоспуска от -700 до -850 м горизонта.

Вариант 3: горизонтальные напряжения главные 1 и главные 2

Рис. 6 Вариант 3: вертикальные главные напряжения 3 и напряжения по Мизесу

Вертикальные главные сжимающие (знак -) напряжения изменяются в диапазоне от 0,47 до 102,9 МПа, наблюдается влияние существующего рудоспуска на ствол и камеру перегруза и части ствола в планируемом рудоспуске на горизонте -800 м, максимальные преобладающие напряжения достигают 52 МПа. Эквивалентные напряжения по Мизесу изменяются в диапазоне от 0,65 до 87 МПа, преобладают на-

пряжения от 20 до 40 МПа, также на горизонте -800 м видно влияние существующего рудоспуска на ствол и планируемый рудоспуск.

\ л «М—V---

v ! t'St

Ш 3

' > Ii

1 kf 1 -в

V4X-I*

чЕ Isar"—"

и ■

\ zs / "«ИЛ

fl 1 ш

i f->

& Г М? 5?

я 1 1

\ -а,- 1II

да «

*«. ц

а ££

ä irr

' Ш' 1 \

iti i

\ 1* * S

s % 7f 1 *

щ

■ у I

И Л. *****

1 £\ < & 1 , 1 1

• 1 Л'

* > li

J iE

** в

^ 1 Ute*

физико-механическим параметрам слагающим массив горным породам, в соответствии с принятыми доменами rs2-2 и rs2-4.

На рис. 8 представлены главные пластические деформации и пластические деформации по Мизесу, на горизонте -800 м видна область срастания пластических деформаций между существующим рудоспуском и планируемым, это свидетельствует о том, что уже в процессе проходки гарантировать устойчивость нового рудоспуска нельзя. Также при дальнейшем разрушении стенок существующего рудоспуска зона пластических деформаций в массиве горных пород на горизонте -800 м дойдет до ствола.

Пластические деформации, возникающие в массиве вокруг ствола на отметках от -822 до -906 м, связаны с размещением его в домене rs2-4 и, по всей видимости, компенсируются существующей железобетонной крепью.

Рис. 7 Вариант 3: с закладкой существующего рудоспуска, вертикальныеглавные напряжения 3 и напряжения по Мизесу

Аналогично выводам по рис. 5 вертикальные главные напряжения и напряжения по Мизесу по максимальным значениям остались на прежнем уровне (в сравнении с рис. 6), однако видно, что благодаря закладке существующего рудоспуска происходит перераспределение опорного давления, что снижает значения напряжений в области горизонта -800 м, что положительным образом скажется на устойчивости ствола и планируемого рудоспуска.

По всем осям наблюдаются очаги возникновения пластических деформаций, проявляется это на отметках от -756 до -802 м и от -822 до -906 м, это связано со слабыми по своим

Рис. 8 Вариант 3: пластические деформации главные 1, главные 2, главные 3 и по Мизесу

Рис. 9 Вариант 3 с закладкой существующего рудоспуска: пластические деформации главные 1, главные 2, главные 3 и по Мизесу

По результатам моделирования с закладкой существующего рудоспуска прослеживается значительное улучшение состояния массива в районе горизонта -800 м, а именно значительное уменьшение значений пластических деформаций, в соответствии с цветовыми легендами, представленными на рис. 8 и 9. Однако наличие пластических деформаций по всем осям, в основном на отметках от -756 до -802 м и от -822 до -906 м, связано со слабыми по своим физико-механическим параметрам слагающим массив горным породам, в соответствии с принятыми доменами гэ2-2 и гэ2-4.

Аналогичным образом рассматривались остальные варианты размещения нового рудоспуска. По результатам анализа всех проведенных расчетов вариант 5 признан наиболее предпочтительным.

Поэтому для выбора параметров и типов крепей вариант 5 подвергся более подробному рассмотрению.

Рис. 10 Легенда к анализируемым линиям и результат распределения напряжений по линии 1

Для выбора параметров крепления (для примера, по одной из анализируемых линий) на рис.10 представлены распределения напряжений по Мизесу и главные напряжения.

Всего рассмотрено 6 линий, каждая линия строилась в трех вариантах:

непосредственно в кровле или боку выработки; в двух метрах от кровли или бока выработки; в четырех метрах от кровли или бока выработки. Для удобства использования полученных результатов в последующих расчетах сформированы таблицы (из-за большого объема данных в статью не вошли), в которых представлены значения из графиков, полученных по линиям. Как видно, применение численного моделирования вку-

пе с результатами геотехнических исследований массива дает весьма широкие возможности для оценки размещения подземного сооружения в том или ином домене с учетом большого числа переменных факторов массива.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:_

1. М.А. Соннов, А.Е. Румянцев, A.B. Трофимов, В.Б. Вильчинский. Геотехническое обоснование отработки залежей, ограниченных тектоническими нарушениями на основе применения конечно-элементного моделирования // Горная промышленность. -2018. - №5.-С. 107-110.

2. Вершинин A.B., Левин В.А., Морозов Е.М. Прочностной анализ: Фидесис в руках инженера. -М.: ЛЕНАНД, 2015. - 408 с.

24/25-ая МЕЖДУНАРОДНАЯ ВЫСТАВКА ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ, МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

шША

ш

л.

г.Усть-Каменогорск, 22-24 мая 2019г.

Дворец спорта им. АЛЕКСАНДРОВА пр. Абая, 2

г.Павлодар, 28-30 мая 2019г.

Теннисный центр "ЭНЕРГЕТИК", пп.Конституции, 1

WWW.KAZEXPO.KZ

тел./факс: 8 (727) 250-75-19 тел: 8 (727) 313-76-28, 313-76-29 e-mail: [email protected]