О влиянии свойств закладки на несущую способность междукамерных целиков Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

© С.Ю. Лобанов, А.Ю. Шумихина, 2011

УДК 622.831

С.Ю. Лобанов, А.Ю. Шумихина

О ВЛИЯНИИ СВОЙСТВ ЗАКЛАДКИ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ МЕЖДУКАМЕРНЫХ ЦЕЛИКОВ

Методами математического моделирования оценено влияние закладочного материала в очистных камерах на изменение степени нагружения междукамерных целиков. Ключевые слова: несущая способность, камерная система разработки, гидравлическая закладка, модуль деформации, степень нагружения целика.

Т Т а Верхнекамском месторождении калийных и калийномагниевых солей закладка очистных камер используется для ограничения оседаний земной поверхности и, в целом, не является несущим элементом камерной системы разработки.

В настоящее время на рудниках ВКМКС применяется гидравлическая закладка [1]. Степень заполнения камер при самотечной закладке может достигать 80-90 % [1]. Предполагается, что затвердевшая закладка не только уменьшает деформацию пород, слагающих водозащитную толщу, но и может оказывать упрочняющее воздействие на несущую способность междукамерных целиков. В этой связи для решения вопросов, связанных с определением параметров системы разработки при закладке выработанного пространства, необходимы исследования взаимодействия системы «закладка-междукамерный целик».

Анализ влияния физико-механических свойств и технологических параметров закладки на несущую способность целиков основывался на математическом моделировании изменения на-пряженно-деформированно-го состояния

камерного блока. Схема геомеханиче-ских расчетов представлена на рис.1.

Степень нагружения междукамерных целиков представляет некоторый интегральный критериальный показатель их напряженного состояния, непосредственно не связанный с распределением в конструкции компонент тензора напряжений.

Для условий ВКМКС расчетное значение степени нагружения определяется согласно действующему нормативному документу [2]:

С = - = ^, (1)

2 Ь°„

где Р - средняя нагрузка на целик; - -несущая способность целика; Е,х - коэффициент, учитывающий влияние меж-ходовых целиков, £0 - коэффициент, учитывающий изменение нагрузки на целики вследствие влияния различных горнотехнических факторов (пригрузка от солеотвалов, опорное давление и др.); у - объемный вес пород (0.022 МН/м3); I - межосевое расстояние; Н0 - максимальное значение расстояния от земной поверхности до кровли целиков на рассматриваемом участке отработки; Ь -расчетная ширина междукамерных це-

Рис. 1. Расчетная схема

ликов; оп - расчетная несущая способность целиков.

Расчетная несущая способность междукамерных целиков оценивается по формуле

7 = kro , (2)

п ] т ’ V /

где к - коэффициент формы, характеризующий зависимость несущей способности от отношения ширины целиков (Ь)

к их высоте (m); <тт - агрегатная прочность пород в массиве.

Обоснование соответствия между степенью нагружения междукамерных целиков и инвариантами их напряженного состояния выполнялось методами математического моделирования [3]. Расчеты проводились для периодической системы однородных междукамерных целиков при горизонтальном залегании пластов. В качестве условия прочности принимался энергетический критерий

CTi ^ , (2) где CT¡ =^112(Da) - интенсивность напряжений, определяемая величиной второго инварианта девиатора напряжений. Критерий (2) можно представить в виде K = < 1 (3)

Выполненные многовариантные расчеты показали [3] устойчивую взаимосвязь показателя С, вычисленные по формуле (1), со значением параметра K*, которое соответствует максимальной величине K , действующей по всей ширине или высоте целика. Таким образом,

Рис. 2. Распределение критериального параметра К в сечении целика

Рис. 3. Изменение относительной степени нагружения целиков при различных параметрах обработки: а) С = 0,3; б) С = 0,4; в0 С = 0,5; г) С = 0,7

С = K .

(4)

Установленное соответствие в виде соотношения (4) имеет принципиально важное значение для расчета междука-мерных целиков, поскольку величина параметра K* непосредственно связана с распределением напряжений в целике. В отличие от расчетной степени нагружения С , K* отражает особенности напряженного состояния междукамерных

целиков, обусловленные всем разнообразием горнотехнических и горногеологических условий камерной системы разработки, включая и наличие закладки.

Используя предложенный подход можно оценить влияние закладки на изменение несущей способности между-камерных целиков и соответственно изменения степени их нагружения. Из выражений (1), (3) и (4) следует

в:

Сб/

закл ____ б / з

вб

C

K *

= R,

K

(5)

где Qзакл., Qб/з - соответственно несущая способность целика при наличии закладки и при ее отсутствии; Сзакл, Сб/з -соответственно степень нагружения целика при наличии закладки и при ее отсутствии; Кзакл * и Кб/з * нормированные на предел прочности сильвинита при сжатии максимальные значения интенсивности

напряжения, действующие по всей ширине целика при наличии закладочного материала в камере и без закладки.

Численная реализация данной задачи проводилась в упругой постановке методом конечных элементов в перемещениях [4] с дискретизацией рассматриваемой области на треугольные элементы первого порядка. Оценка изменения несущей способности междукамерных целиков при наличии в камере закладочного материала проводилась с использованием соотношения (5), путем сопоставления распределения нормированной интенсивности напряжений (параметра К) при наличии в камере закладки (рис.2, а) и без нее (рис. 2, б).

При математическом моделировании варьировались параметры камерной системы разработки: исходная степень нагружения целиков (С=0,3 -

0,7),свойства закладочного материала (Езакл = 0,1 - 0,5ГПа) и степень заполнения камер (А=0,5 - 1,0) [5].

На рис. 3 иллюстрируется влияние закладки на несущую способность меж-дукамерных целиков. Как показывают выполненные расчеты, вне зависимости от свойств закладочного материала, при неполном заполнении камер она не оказывает значительного влияния на несущую способность целиков. Исключение составляют податливые целики (С=0,7), где наличие закладки проявляется при коэффициенте закладки больше 0,8. При А ^ 1 упрочняющее воздействие закладки становится существеннее и в зависимости от свойств закладочного материала и исходной несущей способности целиков повышается в 1,2 (Езака = 0,1Е) -1,7 (Езакл= 0,5Е) раз. С увеличением степени заложения камер эффект закладки становится более выраженным.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Борзаковский Б.А., Папулов Л.М. Закладочные работы на Верхнекамских калийных рудниках.- Москва: Недра, 1994.

2. Указания по защите рудников от затопления и охране подрабатываемых объектов в условиях ВКМКС. С.-П., 2008.

3. Барях А.А., Самоделкина Н.А. Расчет устойчивости опорных целиков для условий отработки Верхнекамского ка-

лийного месторождения// ФТПРПИ.-2006.- №6.

4. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975.

5. Константинова С.А., Асанов В.А. Физико-механические свойства закладочного материала различного возраста// Маркшейдерия и недропользование. - 2010,- №5 (49).ВШЭ

__ Коротко об авторах

Лобанов С.Ю. - кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории Механики горных пород, Горный институт УрО РАН, Пермь,

Шумихина А.Ю. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории Механики горных пород, Горный институт УрО РАН, Пермь, anastasy@mi-perm.ru, arc@mi-perm.ru