Обоснование вариативности управления напряженно-деформированным состоянием горного массива Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.441.31 М.А. Земляной

ОБОСНОВАНИЕ ВАРИАТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННЫМ СОСТОЯНИЕМ ГОРНОГО МАССИВА

Семинар № 13

Анализ научных работ, посвященных проблемам разработки месторождений минерального сырья при открыто-подземном способе показывает необходимость повышения надежности работы подготовительных выработок не только для снижения затрат на их ремонт и восстановление, но и простои очистных забоев и внутришахтного транспорта. Опыт отечественных предприятий показывает, что выбор способа и средств обеспечения устойчивости подготовительных (вскрывающих) выработок должен осуществляться путем анализа горно-геологических и горнотехнических факторов. Особенно сложные ситуации возникают при применении систем отработки запасов при открыто-подземном способе, которые применяются в тесной взаимосвязи. Сложно становиться обеспечивать устойчивость вскрывающих выработок (штольни), назначением которых служит механическое разупрочнение слоистого массива горных пород путем сотрясательного взрывания. В результате проведения буровзрывных работ на верхних горизонтах карьера и непосредственного ведения подготовительных и очистных работ над устроенным подземным сооружением (подготовительной штольней) открытым способом происходит дополнительное нарастание концентрации сил в зоне неупругих деформаций породного массива, вмещаю-

щего выработку. Характер деформирования в зоне неупругих деформаций зависит от глубины заложения выработки, типа пород и их физикомеханических и реологических свойств, сечения выработки и т.д. При проведении подземных подготовительных выработок в гористой местности с неоднородным рельефом и возникновении дополнительных динамических нагрузок происходит пространственное изменение влияния зоны неупругих деформаций, что приводит к смещению породного контура подготовительной выработки.

В таких условиях при разработке нагорных месторождений минерального сырья важное значение приобретает управление напряженно-деформированным состоянием горного массива, позволяющее как повышать устойчивость подземных выработок, так и при необходимости снижать ее для проведения сотрясательного взрывания на разупрочнение породного массива при вскрытии и отработке запасов. Рациональность и надежность применяемых методов управления горным давлением во многом определяет безопасность эксплуатации рудников и эффективность открытой и подземной геотехнологии в целом.

В результате прохождения подготовительной выработки нарушается первоначальное и образуется новое напряженное состояние породного массива. Возникает концентрация

П 1 1 1 1 п 1111 п і -п

I

а) ^ б)

Рис. 1. Схема исследуемой модели (а) и распределение напряжений в кровле незакрепленной выработки (б)

вертикального и горизонтального дополнительных давлений, так как породы лишаются опоры не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении. При этом происходят сдвижения пород, вызываемые их разгрузкой в направлении выработанного пространства. Порода оказывает слабое сопротивление растягивающим и сдвигающим усилиям, поэтому в кровле и в боках выработки образуются зоны неупругих деформаций.

В своей работе [1] В.А. Ткачев исследовал напряженное состояние массива однородных пород при охране выемочного штрека по схеме «целик-массив» и провел анализ эпюр напряжений в моделях (рис. 1). Исследования напряженного состояния массива проводились на глубине заложения выработки равной 400 м с шириной 4 м и высотой 2 м.

Для разделения главных напряжений, напряжений о1 и о2,был использован метод на численном решении дифференциальных уравнений равновесия в прямоугольной системе координат. Для расчета использовались разность главных напряжений (о1 - о2) и параметры изоклин. Разделение главных напряжений производилось по двум сечениям: по вертикальной оси симметрии горной выработки (се-

чение 1-1); параллельно кровле на расстоянии 75 мм от контура выработки (сечение 11-11). Анализ эпюр напряжений по сечению 1-1 показал, что непосредственная кровля сжата.

В нашем случае рассматривается исследование напряженного состояния массива нагорного месторождения в слоистых породах при заложении штольни. Максимальная глубина заложения на протяженности 100 метров составляет в пределах 30 ч 50 метров. Крепление выработки производится анкерной крепью.

Анкерная крепь, стягивая непосредственную кровлю, изменила напряженное состояние кровли выработки. На контуре выработки действуют растягивающие напряжения, распространение которых очень небольшое, затем горизонтальные напряжения переходят в сжимающие, которые колеблются от 5 до 80 кПа. Скрепленные анкерной крепью четыре слоя непосредственной кровли не образовали составной балки, и поэтому не наблюдалось единой нейтральной оси. Растягивающие напряжения на контуре штольни составили 25 кПа, что на 2 кПа больше чем в модели без крепи. В данном случае усилие натяжения анкерной крепи оказалось недостаточно, чтобы противостоять сдвигающим напряжениям. Иссле-

(а)

(б)

дования, проведенные Панеком [4], показали, что многослойные модели, скрепленные Анке-рами, вели себя как монолитные балки только тогда, когда пролеты были очень малыми. Однако применение анкерной крепи уменьшило растягивающие напряжения по контуру основной и непосредственной кровель, более равномерно распределились тангенциальные напряжения.

С учетом вышеизложенного управление напряженно-деформированным состоянием горного массива представляется возможным путем распределения растягивающих и тангенциальных напряжений по контуру выработанного пространства (применяя анкерное крепление), а также приложения сосредоточенной нагрузки в зоне неупругих деформаций пород

Рис. 2. Распределение напряжений в кровле выработки при наличии непосредственной кровли мощностью 1,5 м, не закрепленной (а) и закрепленной анкерной крепью (б)

ного массива при установившемся равновесии гравитационных сил и сил, действующим в противоположном направлении гравитационному полю.

В качестве анкерного крепления применяется трубчатый анкер взрывного закрепления. Применение трубчатых штанг взрывного закрепления позволяет свести к минимуму время включения этой крепи в работу и совместить операции возведения с операциями бурения, заряжания и взрывания в цикле буровзрывных работ в забое. Кроме того отсутствует дополнительный цикл буровзрывных работ при сотрясательном взрывании на разупрочнение массива горных работ. Расположение зарядов ВВ в полости трубчатого анкера позволяет производить эффективное разупрочнение массива, ограничиваясь малым количеством ВВ, прилагая сосредоточенную нагрузку в зоне неупругих деформаций.

------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ткачев Б. А., Страданченко С. Г., Привалов А. А. Эффективные способы крепления и поддержания горных выработок на основе ресурсосберегающих технологий. - Ростов н/Д: Ред. ж. «Изв. вузов. Сев. -Кавк. Регион», 2005.-472 с.

2. Чиаев Т.И., Тархунин Н.А. Технология разработки месторождений цементного

сырья. - М.: Недра, І980. - 309 с.

3. Шашєнко O.H., Пустовойтєнко Б.П..

Механика горных пород: Підручник для

BУЗiв. К.: Новий друк, 2004. - 400 с. іл. -Рос.

4. Панєк H.A. Расчет анкерного крепления слоистой кровли. Panek Lonis A. Trans Soc. Mining Engrs AIME.- 1964. - 229 с. ШИН

— Коротко об авторах----------------------------------------------------------------

Земляной М.А. - кандидат технических наук, ЮРГТУ (НПИ).

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 13 симпозиума «Неделя горняка-2008». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.В. Мельник.