CC BY
43
УДК 622.2
A.A. Барях, д-р техн. наук, проф., дир. Ин-та, (342) 216-09-48, bar@mi-perm.ru,
H.A. Самоделкина , канд. техн. наук, ведущий науч. сотр., (342) 216-46-88, samodelkina@mi-perm.ru (Россия, Пермь, ГИ УрО РАН)
ОБОСНОВАНИЕ ДОПУСТИМЫХ УСЛОВИЙ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ ПРИ АНОМАЛЬНОМ СТРОЕНИИ
водозощитной толщи
На основе математического моделирования установлены основные особенности нарушения сплошности подработанной водозащитной толщи. Выявленные закономерности положены в основу критерия обеспечения безопасных условий подработки.
Ключевые слова: математическое моделирование, разрушение, раскрытие контакта, напряженно-деформированное состояние.
Одной из задач безопасного ведения горных работ на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей является обеспечение сплошности водозащитной толщи (ВЗТ), отделяющей продуктивные пласты калийных и магниевых солей от водоносных горизонтов.
ВЗТ представляет собой безводную и водонепроницаемую часть геологического разреза, расположенную между кровлей верхнего отрабатываемого пласта калийно-магниевых солей и кровлей верхнего пласта каменной соли. По строению и составу пород в ВЗТ выделяются три части: нижняя (B3Ti) представлена чередованием калийно-магниевых солей и каменной соли, средняя (ВЗТ2) сложена покровной каменной солью и верхняя (ВЗТ3) представлена ритмично чередующимися между собой пластами мергелей и каменной соли (рис.1).
В настоящей работе рассматривается аномалия в строении ВЗТ в виде зоны выклинивания ВЗТ2 + ВЗТ3. Основная опасность ведения очистных работ в районе аномалии данного вида связана с возможностью раскрытия в результате деформирования подработанного массива контакта между ВЗТ2 и ВЗТ1. В этом случае образуется канал для проникновения надсолевых вод в ту часть ВЗТ, которая характеризуется полным разрезом. Реализация такого сценария, как минимум, означает уменьшение общей мощности ВЗТ на величину, равную суммарной мощности ВЗТ2 и ВЗТ3.
В качестве обобщенного показателя техногенного воздействия горных работ на ВЗТ принята величина оседаний земной поверхности. Она косвенно характеризует параметры системы разработки, количество отрабатываемых пластов, наличие закладки выработанного пространства и время, прошедшее со дня отработки.
Геомеханическая ситуация анализировалась в зависимости от положения аномалии по отношению к выработанному пространству. Все
расчеты проводились для средних горно-геологических условий разработки Верхнекамского месторождения калийных солей.
Рассматривался слоистый породный массив, подработанный камерной системой разработки на участке выклинивания ВЗТ2 и ВЗТ3. Принималось, что массив находится в условиях плоского деформированного состояния и испытывает воздействие массовых сил интенсивностью у (у -удельный вес пород). Граничные условия стандартные: на вертикальных границах горизонтальные перемещения равны нулю, верхняя граница (земная поверхность) свободная, на нижней заданы нулевые вертикальные перемещения.
Рис.1. Схемарасчета и кусочно-линейная аппроксимация диаграммы деформирования контакта
Таким образом, требуется определить условия ведения горных работ, при которых является возможным раскрытие контакта между ВЗТ2 и ВЗТь В качестве основных параметров, характеризующих техногенное воздействие очистной выемки на аномалию, приняты: максимальные оседания земной поверхности ц и расстояние 1 от границы выработанного пространствадо края выклинивания ВЗТ2 (рис.1).
Основным показателем, определяющим уровень «опасности» подработки ВЗТ на участке аномалии, являются деформации (смещение берегов контакта). В этой связи решение задачи осуществлялось в упругопластической постановке с использованием условия пластичности Кулона-
Мора
^шах >^р = С + ,
где хтах - максимальное касательное напряжение; тр -предельное касательное напряжение; ап - среднее нормальное напряжение; С - коэффициент сцепления; ф - угол внутреннего трения.
Численная реализация проводилась методом конечных элементов [1]. Упругопластический характер деформирования подработанного массива учитывался путем последовательных приближений, основанных на применении метода переменных параметров упругости.
В качестве нулевого приближения принимались переменные параметры упругости, равные исходным деформационным свойствам слоистого массива. По расчетным величинам напряжений и деформаций нулевого приближения в каждом конечном элементе вычислялись интенсивности напряжений <5; и деформаций 8;, затем проводилась проверка условия пластичности. При выполнении неравенства ттах > тр определялось зна-
*
чение интенсивности напряжений <5; , соответствующее Iр . По величи*
нам <5; и 8; рассчитывалисьновыепараметрыупругости [2]:
^ 1 _ (1 - 2^) а,
Є: * 2 3Е
Е =--т;—^; М
1 + (1 - 2^) а, ’ ' 1 + (1 - 2^) а, '
3Е е, 3Е е,
где Е , ц - исходные модули деформации и коэффициент Пуассона.
Таким образом, при реализации пластической стадии деформирования вне зависимости от исходных деформационных свойств параметры Е*, ¡л будут различными для каждого конечного элемента. Далее вычислительный процесс продолжался по схеме последовательных приближений: вновь рассчитывались напряжения и деформации, определялись их интенсивности и уточнялись переменные параметры упругости. Сходимость итерационного процесса контролировалась выполнением в каждом конечном элементе условия
Т —т
тах р
< а
где а - некоторое малое число.
Контакт между ВЗТ2 и ВЗТ1 в расчетах моделировался элементами Гудмана [3]. Характер деформирования контакта определялся кусочнолинейной аппроксимацией типовой диаграммы его нагружения (см. рис.1). Предельное сопротивление сдвигу тр вычислялось согласно уравнению
Кулона.
Условием разуплотнения контакта (явление дилатансии) являлось выполнение неравенства [4]
и > шир ,
где и - горизонтальное смещение берегов контакта; ир - горизонтальное смещение соответствующее пиковой прочности контакта тр. Значение коэффициента ш оценивалось по результатам лабораторных экспериментов: ш=(0,20...0,45).
При расчетах варьировались геометрические размеры зоны выклинивания к/ Ь (отношение исходной мощности ВЗТ2 + ВЗТ3 к протяженности участка выклинивания): И/Ь = 1/20- пологое выклинивание,
И/Ь = 1/10 - «крутое» выклинивание. Также варьировалось расстояние ? от границы выработанного пространства до края выклинивания в диапазоне от -550 до 550 м с шагом 50 м.
Решение каждого варианта проводилось для значений максимальных оседаний земной поверхности: ц = 0,5, 1,0, 2,0, 3,0, 4,0, 5,0 м. Общее число расчетных вариантов - 144 при 5.20 итерациях в процедуре последовательных приближений.
Как уже отмечалось, опасность проникновения надсолевых вод в ВЗТ связана с раскрытием контакта в краевой части зоны выклинивания (точка х =0 на рис.2). С этих позиций проанализируем распределение горизонтальных смещений контакта ВЗТ2 и ВЗТ1.
Характер изменения горизонтальных смещений берегов контакта, нормированных на ир , показан на рис.2 для одного из характерных геометрических параметров зоны выклинивания: И/Ь =1/10. Горизонтальная штриховая линия определяет смещения, при которых начинается разуплотнение контакта (и/ир = 0,2 ).
На величину горизонтальных смещений, естественно, влияет в первую очередь значение оседаний, а на характер их распределения - краевые эффекты, обусловленные зоной выклинивания и краевой частью выработанного пространства. В связи с этим выделяются три области реализации максимальных горизонтальных смещений на контакте. Первая, наиболее выраженная, формируется, когда краевая часть выработанного пространства находится непосредственно под зоной выклинивания (рис. 2.а), здесь складываются оба краевых эффекта. Вторая располагается в ненарушенном массиве и отражает «дальнее» взаимодействие горных работ с зоной выклинивания (зона выклинивания в ненарушенном массиве) (рис. 2, б); третья, наименьшая по интенсивности, образуется при подработке зоны выклинивания (рис.2, в).
Рис.2. Распределение относительных горизонтальных смещений по контакту между ВЗТ2 и ВЗТ1
Таким образом, степень воздействия очистной выемки на контакт ВЗТ2 и ВЗТ1 в зоне выклинивания наряду с реализованными деформациями подработанного массива определяется и местоположением по отношению к ней границы выработанного пространства. Условием проникновения надсолевых вод является раскрытие контакта на отрезке 0 < х < а, где а - любое положительное число.
Если выработанное пространство находится в районе полного разреза ВЗТ, то по мере его приближения к зоне выклинивания наблюдается рост горизонтальных смещений на контакте. При приближении границы выработанного пространства к зоне выклинивания критические горизонтальные смещения охватывают все большую часть контакта (область I на рис.3). В зависимости от максимальных оседаний земной поверхности в этих случаях становится возможным раскрытие контакта и, как следствие, проникновение надсолевых вод в ВЗТ.
а) б)
вода вода
Рис.3. Зоны разуплотнения контакта приразличных положениях границы выработанного пространства при ц=5 м для «крутого» выклинивания (а) и пологого (б)
При дальнейшем приближении границы отработки к зоне выклинивания образуется некоторая «мертвая» зона, где горизонтальные смещения в точке х = 0 значительно меньше предельных значений. Это объясняется тем, что смещения, обусловленные границей выработанного пространства, меняют здесь знак на противоположный и в сумме с краевым эффектом от наличия зоны выклинивания становятся незначительными. Наибольшие деформации контакта реализуются, когда фронт очистных работ располагается непосредственно в районе края зоны выклинивания (область II). В этом случае даже при относительно малых сдвижениях имеет место разуплотнение контакта.
С удалением границы выработанного пространства от зоны выклинивания в район неполного разреза ВЗТ ситуация существенно улучшается. Для «крутого» залегания зоны выклинивания вновь образуется «мертвая» зона, а с последующим удалением границы выработки от зоны выклинивания - область III (рис.3,а). При «пологой» геометрии выклинивания область III отсутствует (рис.3,6).
Таким образом, местоположение границы выработанного пространства оказывает дискретное воздействие на разуплотнение контакта: существуют локальные зоны, где его деформации ниже критических величин.
На основе обобщения результатов всех вариантов расчетов по-
строены номограммы для определения допустимых параметров ведения горных работ на участках выклинивания ВЗТ2 и ВЗТ3 (рис. 4).
а) б)
ТЬМ Г),м
Рис.4. Номограммы определения допустимых параметров ведения горных работ научастках выклинивания при п/L=0,1 (а)
и ц/ L=0,05 (б)
В связи с отсутствием достоверной информации о свойствах контакта ВЗТ2 - ВЗТ! и конфигурации самой зоны выклинивания в номограммах реализован граничный принцип их разработки: отмеченные выше, локальные («мертвые») зоны с уровнем воздействия ниже критического признаны, как опасные. Это обеспечивает определенный «запас» в оценках условий разуплотнения контакта.
Номограммы построены для различных геометрических параметров зоны выклинивания: h/L =1/10 (рис. 4, а) и h/L =1/20 (рис. 4, б). Если при заданном положении границы выработанного пространства t и прогнозных максимальных оседаниях земной поверхности 77 точка с координатами t,^ попадает в заштрихованную на номограмме область, то считается, что контакт ВЗТ2 - ВЗТ1 разуплотняется и надсолевые воды способны достигнуть кровли ВЗТ1 на участке, представленным полным разрезом ВЗТ. В противном случае не существует опасности проникновения надсо-левых вод в ВЗТ.
Таким образом, разработанные номограммы позволяют регламентировать условия ведения очистных работ на участках выклинивания ВЗТ2 и ВЗТ3.
Список литературы
1. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975. 400 с.
2. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987. 221 с.
3. Барях A.A., Константинова С.А., Асанов В.А. Деформирование соляных пород. Екатеринбург, 1996. 204 с.
A.A. Baryakh, N.A. Samodelkina
JUSTIFICATION OF ACCEPTABLE MINING CONDITIONS FOR ABNORMAL STRUCTURE OF WATERPROOF THICKNESS
The generic aspects of undermined waterproof strata discontinuity were established on the base of mathematical modeling. The patterns revealed were used as a foundation for engineering criterion elaboration for providing the undermining safe conditions.
Keywords: mathematical modeling, failure, contact opening, deflected mode.
Получено 20.04.11
УДК 624.19:622.831
К.П. Безродный, д-р техн. наук, зам. дир. по науке, (812) 312-78-11, besrodny@lenmetro.ru,
А.Д. Басов, канд. геол.-мин. наук, зав. лаб., (812) 702-61-95, a.basov2011@yandex.ru,
К.В. Романевич, мл. науч. сотр., (812) 702-61-95, kroninam@gmail.com (Россия, Санкт-Петербург, ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс»)
КОНТРОЛЬНАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД
ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ТОННЕЛЕЙ МЕТОДОМ ЕЭМИ
На примере наблюдении за проявлениями горного давления в тоннеле показана возможность с помощью неразрушающего и бесконтактного метода естественного электромагнитного излучения контролировать изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород при сооружении тоннелей.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, естественное электромагнитное излучение, геоэкологический мониторинг, динамическое проявление горного давления.
Создание новых геотехнологий в тоннелестроении связано с внедрением новой техники, эффективных способов ведения горных работ, применением современных материалов, обеспечением безопасности проходки, поддержанием устойчивости тоннеля при строительстве и в эксплуатации, минимизацией вредного влияния на окружающую среду. Для решения практически всех названных работ необходимо осуществлять контроль и управление горным давлением, применять геомеханические методы исследований. Известно, что геомеханика первоначально формировалась как раздел геофизики еще в конце XIX - начале XX веков. Геофизические методы в геомеханике в настоящее время применяются достаточно широко для изучения строения, состава и свойств массива горных пород, установления закономерностей формирования механических свойств горных пород и изучения процессов перераспределения напряже-
