Вероятностная оценка горного давления в кровле горной выработки, проведенной в слоистом массиве осадочных горных пород Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© М.А. Земляной, А.В. Денисов, 2011

УДК 622.441.61

М.А. Земляной, А.В. Денисов

ВЕРОЯТНОСТНАЯ ОЦЕНКА ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В КРОВЛЕ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ, ПРОВЕДЕННОЙ В СЛОИСТОМ МАССИВЕ ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Проведена вероятностная оценка свойств массива осадочных горных пород. Результаты вероятностной оценки показали необходимость применения при расчетах напряженно-деформированного состояния массива и давления на крепь подземных горных выработок функцию распределения по закону Гумбеля.

Ключевые слова: горное давление, осадочные породы, анкерная крепь.

щ И редставление о влиянии на ус-1.1 тойчивость горизонтальных горных выработок чередующихся разнопрочными и разномощными породами кажется общепринятым, но практически приемлемых разработок по учету структурной и механической неоднородности слоистых толщ очень мало. В настоящее время также отсутствуют теоретически обоснованные подходы оценки взаимосвязи литолого-структур-ных и механических показателей многослоистой толщи пород, их влияния на управление устойчивостью горизонтальных горных выработок. Для большинства разработок характерно стремление обосновать возможность неучета неоднородности пород, что приводит к значительной идеализации условий проходки и крепления горнотехнических сооружений и их систем и, безусловно, снижению надежности принимаемых по ним решений. Такой подход существенно понижает полноту и достоверность данных в оценке условий управления горным давлением, поддержания горизонтальных выработок.

Оценка неоднородности многослойных толщ имеет большой практический интерес для решения вопросов крепления

с учетом структурной и прочностной неоднородности массива пород, охраны горизонтальных горных выработок, но и представляет собой инженерногеологическую проблему первостепенной важности. Особенность здесь состоит в том, что неоднородность породного массива является причиной неоднородности поля напряжений вокруг горнотехнического сооружения, входящего в систему, которое связано как со строением массива, так и с процессом деформирования пород и с технологическим участием сооружения в горно-технологическом процессе. Несимметричность геомеханического состояния системы «крепь - породный массив» в первую очередь вытекает из лито-лого-структурной и механической неоднородности толщ пород (имманентный фактор), а также особенностей внешнего их нагружения. Поэтому характер и возможности управления массивом пород определяются уровнем напряженных неоднородностей, а построение физической модели деформирующегося массива неразрывно связано с условиями контактирования слоев пород и значений интегрального показателя, характеризующего механические свойства не одного пород-

ного слоя, а многослойной породной толщи.

Обзор научной литературы показывает, что определяющим во влиянии слоистой толщи на устойчивость горизонтальных горных выработок являются как величина, так и разница в прочности контактирующих породных слоев. Это положение вкладывается в обще-методические предпосылки: расширенную статистическую теорию хрупкой прочности Вейбул-ла, которая основывается на концепции наиболее «слабого звена» и принцип Парето.

Роль масштабного фактора количественно впервые была оценена В. Вейбул-лом в 1939 г. Вероятность того, что весь материал объема V не разрушится, он представил как вероятность того, что не произойдет разрушение ни в одной единице объема этого материала.

В своей работе В.А. Ткачев по исследованию эффективных способов крепления и поддержания горных выработок отмечал, что степень эффекта крепления анкерной крепью зависит от трещиноватости, сплошности, механических характеристик массива, схемы расположения анкерной крепи и др. факторов. Предельные прогибы многослойных породных балок зависят от типа и конструкции анкерной крепи.

Как отмечает в своей работе Попов В.Н., [2] управление устойчивостью карьерных откосов, что физико-механические свойства пород изменчивы, зависят от большого числа различных факторов, среди которых трудно выделить доминирующий, поэтому для их оценки можно использовать нормальный закон распределения. Изменчивость сцепления и угла внутреннего трения обычно учитывают с помощью коэффициентов запаса, вводимых в определенные из испытаний показатели либо в общий коэффициент запаса устойчивости борта.

Вдовин В.В. в ряде допущений и приближений приходит к заключению о нормальном законе распределения напряжений в материале крепи.

В работе Г.Н. Савина по исследованию горного давления на крепь вертикальных стволов отмечалось, что нагрузка на крепь зависит от многих влияющих факторов и обладает значительной изменчивостью, которая кроме закономерной составляющей содержит неучтенную случайную составляющую. Напряжения в кровле горной выработки предполагается зависимым от некоторого количества факторов, каждый из которых является случайной величиной. Поэтому величина напряжений в крепи есть функция многих случайных аргументов и в итоге сама является случайной величиной. Для определения вероятности разрушения крепи необходимо знать законы распределения для прочности материала крепи и для действующих в крепи напряжений.

Левин В.В. доказывает результатами экспериментов, что величина горного давления на крепь шахтного ствола существенно отличается от ее распределения по закону Г аусса по своему коэффициенту вариации, не говоря даже о величинах скошенности и островершинности, которые могут достигать больших отклонений по сравнению с плотностью нормального закона распределения.

Исследования, проведенные на примере Новороссийского месторождения мергеля показывают, что величины горного давления на анкерную крепь горной выработки штольни, проведенной в борту слоистого скального массива ближе к функции распределения по закону Гумбеля. Расчеты проводились при помощи программного комплекса «Лира визард» результаты обрабатывались математическим аппаратом модели обоснования зоны концентрации напряжений в кровле горной выработки.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Балек А.Е. Управление напряженно-деформированным состоянием скального массива при подземной разработке рудных месторождений системами с обрушениями. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, 2007.

2. Попов В.Н., Шпаков П.С., Юнаков Ю.Л. Управление устойчивастью карьерных откосов: Учебник для вузов. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, издательство «Горная книга», 2008. 683 с.: ил. Н5ГД=1

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

Земляной М.А. - кандидат технических наук, докторант каф. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых (ПРМПИ), OOO.nis@mail.ru

Денисов А.В. - первый заместитель ген. директора ОАО НТЦ «Промышленная безопасность».

------------------------------------------- © М.А. Земляной, Д.А. Расцветаев,

2011

УДК 622.441.62

М.А. Земляной, Д.А. Расцветаев

СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА АНКЕРНОЙ КРЕПЬЮ ПРИ ВЕРТИКАЛЬНОМ РАСПОЛОЖЕНИИ СЛОЕВ ТЕЛ ПОЛЕЗНОГО ИСКОПАЕМОГО

Разработан новый вариант способа крепления выработанного пространства анкерной крепью слоистого массива вертикального залегания. Результаты моделирования показали возможность создания зон естественного самозаклинивания пород в кровле горной выработки, а также перераспределения векторов нагрузки от напряжения и релаксации горных пород.

Ключевые слова: анкерная крепь, выработанное пространство, напряженно-

деформированное состояние горного массива.

Яовороссийское месторождение мергелей представлено крутопадающими телами полезного ископаемого общей мощностью свыше 450 метров с изменяющимся содержанием основных породообразующих элементов

(СаСО3, А1203, SiO2). Крепость пород слагающих массив варьируется от 3 до 8 по проф. М.М. Протодьяконову.

В некоторых местах рабочей зоны карьера уступы слагают слои полезного

Рис. 1. Схема расположения анкеров в кровле горной выработки и величина перемещения пород в вертикальном направлении, мм

Рис. 2. Величина перемещений вертикальных слоев породы в кровле не закрепленной горной выработки, мм

Рис .3. Схема пространственного распределения напряжений в кровле горной выработки (штольни) закрепленной по предлагаемому способу расположения анкерной крепи

ископаемого в пределах от 1,5 до 5 м ширины, расположенных вертикально на всю высоту уступа, что составляет 15 - 20 м. В результате чего, возникает трудность при креплении горнотехнических сооружений (штолен) при подготовке полезного ископаемого к выемке. Традиционное расположение анкеров в кровле горной выработке не дает желаемого результата. Нагрузка от веса пород и динамических колебаний от работающей техники на вышележащих уступах передается непосредственно вертикально расположенными слоями по зеркалам скольжения непосредственно в выработанное пространство штольни, приводя к обрушению значительной части, выработки.

Проведенный анализ вмещающих пород подобных уступов показывает о необходимости создания защитной оболочки в приконтурном пространстве выработки зон естественного самозаклинивания пород. Для решения поставленной задачи проведено моделирование горных процессов крепления выработанного пространство трубным анкером 045 мм толщиной стенки 4,5 мм, длина трубного анкера применялась 2 м.

Трубный анкер располагали под углом к поперечному сечению выработанного

1. Балек А.Е. Управление напряженно-деформированным состоянием скального массива при подземной разработке рудных месторождений системами с обрушениями. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, 2007.

пространства равным 45 ° (внахлест). Такое расположение анкеров приводит к стягиванию в выработанное пространство, максимально возможное количество вертикальных слоев полезного ископаемого, приводя к естественному самозаклинива-нию в своде естественного равновесия.

На рис. 1 представлена схема расположения анкеров в кровле выработки, позволяющая создать зону самозаклинива-ния пород в приконтурном пространстве.

На рис. 2 можно видеть данную не закрепленную выработку при тех же условиях.

Из рис. 3 можно видеть, что крепление анкерами по предложенному способу позволяет перераспределять напряжения горных пород в кровле выработанного пространства.

Анализ результатов показал, что применяя предлагаемый способ крепления выработанного пространства, создает естественные зоны самозаклинивания пород в кровле горной выработки. Кроме того, создается возможность управления на-пряженно-дефор-мированным состоянием горного массива, посредством перераспределения векторов нагрузок от процессов усиления и релаксации напряжений в горном массиве.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Казикаев Д.М. Комбинированная разработка месторождений: Учебник для вузов. -М.: Издательство Московского государственного горного университета, Издательство «Горная книга», 2008. - 360 с. шгЛ

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

Земляной М.А. - кандидат технических наук, докторант каф. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых (ПРМПИ),

Расцветаев Д.А. - начальник производственно-технического отдела ООО «НоворосИнжСтрой». OOO.nis@mail.ru