CC BY
37
УДК 628.831
В.Д. Барышников, Л.Н. Гахова ИГД СО РАН, Новосибирск
ФОРМИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВБЛИЗИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЕ ОТ ОТКРЫТОЙ К ПОДЗЕМНОЙ ОТРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Для анализа напряженно-деформированного состояния массива горных пород вблизи подготовительных горных выработок, пройденных под дном карьера рудника «Айхал» АК «АЛРОСА» в переходной зоне от открытой к подземной отработке месторождения и разноориентированных относительно выработанного пространства карьера, используется комбинация результатов расчетов, полученных из решения плоских задач с учетом геометрии выработанног пространства и трехмерных расчетов, полученных из решения модельных задач. Обоснованы параметры и условия размещения горных выработок.
V.D. Baryshnikov, L.N. Gakhova
Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Novosibirsk,
Krasny Prospekt 54, 630091, Russian Federation
ROCK MASS STRESS STATE IN THE VICINITY OF ROADWAYS IN THE OPEN TO UNDERGROUND MINING TRANSITION ZONE
ALROSA LLC has accomplished transition from open to underground mining below the bottom of the “Aikhal” open pit, where temporary roadways are driven in different orientation against the open pit waste area. The paper analyzes stress-strain state of rock masses in the vicinity of the roadways by combining 2D problem results, relying upon the waste area geometry, and 3D modeling results. Parameters and layout of the roadways are substantiated.
Многообразие геологических условий месторождений требует, в большинстве случаев, индивидуального подхода к геомеханическому анализу сложившейся горнотехнической ситуации на этапе перехода к подземной разработке. Обоснование мер оптимального управления геомеханической ситуацией, обеспечивающих своевременное предсказание опасных проявлений и снижение их мощности, при недостаточной изученности геомеханических условий разработки, свойственной начальному этапу строительства подземного рудника, может производиться методами математического моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) горного массива, позволяющими дать предварительную оценку состояния и проследить характер его изменений на различных этапах отработки. Точность полученных оценок определяется соответствием принятых в расчетной модели параметров реальному состоянию и свойствам массива, а также достоверностью информации о границах исследуемой области. Дальнейшее использование инструментальных и визуальных наблюдений дает возможность прогнозировать изменения геомеханического состояния в процессе ведения горных работ, уточнять математическую модель массива, формулировать критерии его безопасного состояния,
обосновывая пределы параметров критического деформирования массива и, в конечном итоге, влиять на принятие тех или иных технических решений.
Моделирование НДС массива горных пород методом граничных интегральных уравнений.
В принятой математической модели горный массив предполагается однородным изотропным материалом. Задачи решались методом граничных интегральных сингулярных уравнений [1]. Точное решение объемных задач для анализа геомеханических условий разработки, требующее достоверной горно-геологической информации и широкого спектра свойств массива, зачастую невозможно из-за отсутствия необходимых исходных данных. В этих условиях наиболее приемлемым можно считать решение трехмерных модельных задач, носящее оценочный характер (в модельных задачах упрощена, как правило, геометрия объекта, свойства массива и т. п.). По данным моделирования, допуская определенную погрешность, можно вносить поправку за счет объемного напряженного состояния в результаты, полученные из решений задач в плоской постановке - менее трудоемких, но позволяющих точнее учесть геометрию объекта и структуру массива. Последующее уточнение установленных на основе упрощенной модели закономерностей распределения НДС массива производится по данным визуальных и инструментальных наблюдений за состоянием конструктивных элементов.
В качестве примера использования комбинации плоских и трехмерных расчетов рассматривается задача о напряженном состоянии в окрестности орта, расположенного ниже дна карьера рудника «Айхал» АК АЛРОСА. Задачи решались в трехмерной и плоской постановке.
Конфигурация карьера (вытянутое эллипсовидное пространство с соотношением осей 1 : 6,5) позволяет считать приемлемыми расчеты в плоской постановке (в плоскости Х7, рис. 1). В расчетах предполагается, что выработанное пространство заполнено обрушенной породой. В исходном состоянии в массиве:
а
а
а
-уН
(1)
где у - объемный вес, МН/м , Н - глубина, м. Напряженное состояние в массиве с открытым очистным пространством:
' (2)
т — ,,-0 (1) — ,,-0 (1) _ __0 I __ (1)
а х — а + а ,а у — а + а ,а 2 — а + а
х х “ ' у У 2 2
х
2
а;(1),а^),а(1) - дополнительные напряжения, обусловленные
возмущением исходного поля напряжений выработанным пространством.
В условиях плоской деформации [10]:
<} =^(аХ1) +а?), (3)
где у - коэффициент Пуассона. Следовательно, а у =-(1 - 2 у)уН + у(а х + а г) (4)
На рис. 2 - эпюры напряжений в массиве под дном карьера вдоль линии, параллельной оси Х (- 40 - 30 м).
В массиве с установившимся полем напряжений проходят орт (протяженная выработка, продольная ось которой направлена вдоль оси Х). В данном случае напряжения вдоль оси выработки меняются (обобщенная плоская деформация). Напряженное состояние в окрестности орта:
а = а х + а (2);а = а у + а (2);а = а г + а(2) (5)
х х “ у 7 у “ 2 2 V/
а
(2)
а
(2)
а
(2)
-50 -40 -30 -20 -10 0
10 20 30 40 Цм
га
С
ш
И
к
О.
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
дополнительные напряжения, обусловленные
возмущением поля напряжений в окрестности выработанного пространства карьера от проходки орта и полученные из решения задачи о НДС для полуплоскости (У^) с полостью, имеющей форму поперечного сечения орта.
Для обоснования правомерности использования комбинации решений плоских задач в анализе НДС окрестностей
выработки, размещенной ниже дна карьера перпендикулярно большой оси
протяженного карьера, решена модельная
трехмерная задача, в
которой карьер аппроксимирован усеченным эллипсоидным конусом с соотношением осей 1 : 6,5. Нижнее основание конуса соответствует отметке дна карьера. Под центральной его частью размещена выработка протяженностью 50 м.
В табл. 1 приводятся значения ах ,а а в точках контура выработки из
решения трехмерной задачи (вертикальное сечение в средней части выработки) и полученные сформулированным выше способом из комбинации плоских решений. Сравнение дает основание говорить, что различие представленных результатов (до 15%) не превосходит значений, обусловленных соответствием принятых в расчетной модели параметров
■Эх
■Эу
Рис. 2. Эпюры напряжений
реальному состоянию и свойствам массива. Полученные результаты можно считать оценкой сверху.
Таблица 1 Напряженное состояние конструктивных элементов выработки со
сводчатой формой поперечного сечения
Конструктивный Трехмерное решение Комбинация плоских решений
элемент выработки Ох Оу о2 Ох °у Ог
почва 6,2 -10,1 0,0 -7,3 -10,9 0,0
борт -5,1 0,0 -4,5 -5,7 0,0 -5,0
кровля -9,7 -17,9 0,0 -10,1 -21,7 0,0
Анализ результатов расчетов
1. Для оценки состояния нарезных выработок при подэтажной выемки запасов рудника «Айхал» рассмотрен вариант их размещения в 15 м ниже дна карьера. Исходное поле напряжений в расчетах принято гидростатическим, т. е. вертикальные и горизонтальные напряжения равны весу налегающей толщи пород. В соответствии с проектом прочность пород на сжатие ос = -34 МПа (с учетом коэффициента структурного ослабления к = 0,7 ос = -24МПа); прочность пород на растяжение о = 0,5 МПа. Форма поперечного сечения нарезных выработок принята эллиптической [2].
В табл. 2 приводятся значения вертикальных напряжений в борту и горизонтальные напряжения в кровле нарезных выработок, ориентированных по простиранию (штреки) и вкрест простирания (орты) рудного тела. Штреки пройдены в центральной части рудного тела (штрек 1) и по границе рудного тела с вмещающими породами (штрек 2).
Таблица 2
Выработка Горизонтальные напряжения в кровле, МПа Вертикальные напряжения в борту, МПа
штрек 1 -62,4 0,7
штрек 2 -45,4 -4,6
орт -12,3 -2,3
Полученные результаты позволяют говорить об ортовой подготовке, как наиболее предпочтительной, т.к. горизонтальные напряжения в кровле ортов значительно ниже критических; в его бортах
- сжимающие а2.
2. Исследовался вопрос оптимального размещения транспортных выработок (далее выработок) в переходной зоне от открытой к подземной отработки. Предполагалось, что расстояние от зоны сопряжения дна и борта карьера должно обеспечить устойчивое состояние выработок на весь период отработки подкарьерных запасов. Расчеты проводились для трех транспортных выработок, удаленных по глубине на 15 м друг от друга с совпадающей вертикальной осью (рис. 3а) и со смещенной на 5 м осью средней выработки (рис. 3, б). Расстояние от выработок до контура рудного тела (Ь) варьировалось в пределах 10 ^ 20 м.
В массиве горных пород вблизи контура карьера наблюдается разгрузка от исходных напряжений, действующих на соответствующей глубине. На участках сопряжения бортов и дна карьера - зоны концентрации напряжений на расстоянии 5-6 м от контура карьера [3]. Размещение транспортных выработок на расстоянии 10 м от контура формируемого борта карьера (рис. 4) приводит к появлению наибольших сжимающих ах в кровле выработок (рис. 4, а).
3. В верхней части борта выработки 1, удалений от контура карьера, -растягивающие а2. Необходимо отметить, что области критических сжимающих напряжений выработок 1, 2 при удалении их на 10 м от контура рудного тела смыкаются и ослабляет эти участки подкарьерного массива.
В табл.3 отражены размеры области критических растягивающих и сжимающих напряжений в выработках 1-3 на удалении их от контура рудного тела на 10 м и 20 м.
Смещение оси выработки 2 относительно осей выработок 1,3 на 5 м
приводит к некоторому снижению уровня ах в массиве между
выработками 1 и 2. В то же время, кровля выработки 3
пригружается: ах в
кровле возрастает на « 10 %. Удаление
выработок от границ рудного тела и контура карьера способствует снижению уровня сжимающих ах и растягивающих ау. Размещение их на расстоянии Ь > 18-20 м не приводит к значительному изменению ситуации.
а) б)
Рис. 4. Горизонтальные (а) и вертикальные (б) напряжения (МПа) в окрестности транспортных выработок при удалении их от контура рудного тела на 10 м
Таблица 3
Параметры зоны критических ох Параметры зоны критических
о V х & я >
Ь,м Номер выработки Глубина зоны, м Размер по контуру выработки, м Глубина зоны, м Размер по контуру выработки, м
1 0,5 1,2 1,5 1,5
10 2 0,5 1 0,4 1
3 0,3 0,8 0,3 0,8
1 0,4 0,8 1,2 1
20 2 0,2 0,5 0,3 1
3 0,2 0,6 0,2 0,3
ВЫВОДЫ
Показана возможность использования для анализа геомеханической ситуации комбинации результатов расчетов, полученных из решений плоских задач с учетом геометрии выработанного пространства и трехмерных расчетов, полученных из решений модельных задач.
Результаты предложенного подхода позволили для конкретных условий рудника «Айхал» АК АЛРОСА:
- Дать оценку состояния нарезных выработок при подэтажной выемки запасов и признать в качестве наиболее перспективной ортовую подготовку;
- Обосновать удаление транспортных выработок от границ рудного тела на расстояние 18-20 м.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Машуков В.И., Гахова Л.Н. Приложение метода сингулярных интегральных уравнений к задачам механики горных пород. / Деп. В ВИНИТИ 1996 № 5093 - В86.
2. Барышников В.Д., Гахова Л.Н. Обоснование формы сечения нарезных выработок при отработке подкарьерных запасов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2001. -№ 1.
3. Барышников В.Д., Гахова Л.Н. Напряженное состояние массива в окрестности подземных горных выработок, в бортах и ниже дна карьера // ФТПРПИ. - 2001. - № 5.
© В.Д. Барышников, Л.Н. Гахова, 2010
