Геомеханическое обеспечение инновационных проектных решений по строительству и эксплуатации горных предприятий Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Березнев С.В. - д-р экон. наук, проф.; Михайлов В.Г. - канд. техн. наук, доцент,

ГОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет», Кемерово.

--© Н.В. Черданцев, 2008

УДК. 001(06):622.83 Н.В. Черданцев

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИННОВАЦИОННЫХ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Одной из фундаментальных проблем эффективной разработки угольных месторождений является прогноз следствий техногенного воздействия на массив горных пород, которые в первую очередь обусловлены нарушенностью массива в окрестности системы горных выработок (вывалы, потеря устойчивости, газодинамические проявления). Вследствие этого остро встаёт проблема количественной оценки геомеханической обстановки при ведении горных работ согласно которой производится выбор рациональных технологических схем отработки угольного месторождения. В связи с этим актуальна задача создания методического и соответствующего программного обеспечения для оценки геомеханического состояния массива в области ведения горных работ.

188

Существующие модели достаточно полно учитывают такие свойства массива как упругость, пластичность, ползучесть. Однако одно из его основных свойств - прочностная анизотропия, обусловленная наличием регулярных поверхностей ослабления (слоистость, кливаж, тектонические нарушения), практически не используется в анализе его геомеханического состояния, хотя разрушение массива, в первую очередь, происходит по этим поверхностям. Учёт прочностной анизотропии позволяет получить обоснованные оценки нарушенности массива и в соответствии с ними дать достоверную картину устойчивости выработок. Решение этой задачи основывается на подходе Грина, в котором массив рассматривается как бесконечная среда с полостями произвольных очертаний, нагруженная около них со стороны массива естественным полем напряжений, а изнутри - фиктивной нагрузкой. В математической постановке это приводит к интегральному уравнению краевой задачи теории упругости, для решения которой наиболее эффективен метод граничных элементов, обеспечивающий построение непрерывной картины нарушенности массива с регулярными системами поверхностей ослабления согласно критерию разрушения Мора -Кузнецова.

На основе отмеченного подхода в ИУУ СО РАН создана объёмная модель, описывающая геомеханическое состояние (напряжённое, нарушенности, устойчивости) массива горных пород, вмещающего систему выработок, и разработаны методы её компьютерной реализации [1]. Созданная модель является универсальной. Она определяет непрерывное поле напряжений в окрестности выработок произвольного очертания, а также их систем выработок, учитывает любые системы поверхностей ослабления с различными характеристиками среды, а также опорное давление в области ведения горных работ и на базе вычислительного эксперимента обеспечивает комплексное изучение различных модельных сред. Изучение проводится путём построения зон нарушения сплошности (ЗНС) и посредством количественной оценки нарушенности, представленной показателем нарушенности - коэффициентом, который определяет общую площадь нарушенности массива, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения выработки, а также границей смыкания отдельных ЗНС в системе выработок.

Возможности модели обоснованы широкомасштабным вычислительным экспериментом на модельных средах в широком диапа-

189

зоне варьирования их основных параметров - коэффициентов бокового давления и сцепления, угла внутреннего трения, углов падения и простирания поверхностей ослабления. В итоге получены следующие важные результаты.

1. Построены картины нарушенности около типовых, нетиповых выработок: 1) круг, 2) правильный шестиугольник, 3) круговой свод, 4) горизонтальный эллиптический свод, 5) вертикальный полуэллипс, 6) вертикальный эллипс, 7) горизонтальный эллипс, 8) квадрат, 9) полукруг, 10) равнобедренная трапеция, 11) равносторонний треугольник, 12) горизонтальный полуэллипс (на рис. 1 (а -в) показаны некоторые из перечисленных), а также трёх типов щелевых выработок, расположенных горизонтально (рис. 2 (а)), вертикально (рис. 2 (б)) и с поперечным сечением в форме креста (рис. 1 (в)) с отношением большей стороны к меньшей, равным 1:20. Установлены четыре уровня нарушенности в окрестности протяжённых выработок различного поперечного сечения - слабая, средняя, сильная и аномальная (рис. 3 (а)), а на рис. 3 (б) графики коэффициента нарушенности в зависимости от отношения характерных размеров щелей.

2. Для систем протяжённых цилиндрических выработок (числом 2 и 3) получены диаграммы областей их устойчивого и неустойчивого состояний. На рис. 4 показаны ЗНС массива около выработок при различных взаимных положениях, а на рис. 5 (а, б) контуры диаграмм неустойчивого состояния массива при двух значениях угла падения поверхностей. Здесь же показаны два положения цилиндрических выработок, когда они устойчивы (положение 1) и неустойчивы (положение 2).

3. Для сопряжений выработок (рис. 6) установлен волнообразный характер изменения нарушенности вдоль осей сопрягающихся выработок, с её концентрацией непосредственно на участке сопряжения протяжённостью в три пролёта (более 50 % общей нарушенности). На рис. 7 приведены качественные, а на рис. 8 - количественные картины нарушенности в окрестности сопрягающихся выработок в зависимости от угла смежности.

При апробации модели на реальных массивах получены следующие результаты.

1. Для системы протяженных горизонтальных параллельных выработок квадратного поперечного сечения, сооружаемых по геотехнологии HIGHWALL на разрезе «Распадский» (г. Междуре-

190

ченск, Кузбасс), установлены условия, при которых массив теряет устойчивость. Картины ЗНС в приконтурном массиве приведены на рис. 9. В большинстве примеров расстояние между выработками для прочных целиков равно их пролёту.

2. Для шахт «Осинниковская» ОАО «Южкузбассуголь» и «Южная» (Кемерово) определены рациональные параметры анкерного крепления. На рис. 10 приведены картины нарушенности и схемы армирования приконтурного массива и значения их параметров.

3. Для условий проведения подготовительной выработки по верхнему слою мощного угольного пласта IV—V шахты «Томусин-ская 5—6» (рис. 11 (а)) установлено, что наблюдающиеся газодинамические проявления в почве выработки обусловлены геомеханическим состоянием массива в её окрестности.

191

а)

-0.9

- 0.902, .0.902,

б)

Д.424,

-0.654,

- 0.924, .0.924,

Трапеция

Полукруг

Рис. 1. Картины нарушенности вокруг типовых и нетиповых выработок

в)

.1.732,

-0.99,

-1.149, 1.149,

Треугольник

а)

б)

Рис. 2. Картины нарушенности вокруг щелевых выработок

а)

б)

11 12^

7 9 Ш

5 10 Ц

1 ¿щ 8 М

08 09 ] 1.1 1.2 1.

периметр контура сечения, отнесенный к периметру квадрата

о и

Лг

40

и 60

0 ф

я а

а)

1

к

я а н

К щ

3

20

1

У''

V" ... 2

0

20

40

60

Ь/к - отношение большего размера к меньшему

классификация выработок по коэффициенту нарушенно- графики коэффициента нарушенности вблизи щелевых сти выработок

Рис. 3. Графики коэффициента нарушенности в приконтурном массиве одиночных типовых (а) и щелевых (б) выработок

а)

б)

в)

Рис. 4. Расчётная схема двух протяжённых цилиндрических выработок (а) и ЗНС (б, в)

а)

б)

/•■ 'V \ / 1

^ )6'Р

»

\ у

\ ! ч. .»

Устойчивое (1 - а=°°, 9=15°, а=1,25г) и неустойчивое (2 - 0=130°, а=1,75г) состояния массива с двумя выработками

Рис. 5. Диаграммы неустойчивости массива с двумя выработками

. х 3

2

ъ= <- 2 -►

Ь=6

Ь 3=7

Участок 1 (крайний)

111111

1 2 3 4 567 8 89 10

Участок 2 (средний)

1 05 1

Участок 3 (крайний)

1 1 1 1 1 1 1

12 13 14 15

Рис. 6. Сопряжение выработок квадратного поперечного сечения а) б)

9=30° 9=6°°

Рис. 7. Картины нарушенности в девятом сечении сопряжения

в)

9=90°

Ь 2=3

0

х

2.2

а 1.8

а> 1.6

-е- 1.4

~ 1.2

0.8

0.6

0.4

0° _ ..о

,......в...... * 2,5°

..... г ? , о 5

т У$ 15 о\7,5° 3 о

о. ч Г,;. э Э £3 ''о. а э......о

"'1 о... ...... ■>..... "с ш>.....-о...... ->.....-э...... 5-......О >.....®

о... .....< .....■о...... 3...... ..4 >...... £5 у- 60° а., '"О.

°...... °...... .....-...... ..... ..О-О-Ч э.. ...... ........в-.....< >.....о...... 3......О >.....

о... ч *.....«...... *........... ......& о 90 "ч ""в...... >.....о......< .......о...... ?.....

О

8

10

12

14

х - координата, отсчитываемая вдс Рис. 8. Нарушенность массива в окрестности сопряжения вдоль осей выработок

оси выработки с Ь-

16

К/уН=0,25; две системы поверхностей а1=500, р1=90°; а2=300, р1=0°, с=1,25Ь

К/уН=0, две системы поверхностей а1=450, р1=900; а2=300, р1=0°, с=2Ь

К/уН=0; две системы поверхностей а1=500, р1=90°; а2=300, р1=0Р, с=2,5Ь

Рис. 9. Картины нарушенности массива в окрестности систем двух и трёх выработок

а)

-4.95

-3.06

3.06

10=3,2м; 1а=4,43м; P1=40кН, P2=50кН; шаг расстановки анкеров 0,8м

10=5,28м, 1а=7,17м, P1=91кН; P2=72,1кН; P3=109,8кН Рис. 10. Схема армирования выработок анкерами на основе ЗНС

а)

Рис. 11. Схема геомеханического состояния нижнего слоя пласта IV - V

б)

-3.8, „3.8,

а)

б)

£

» /Я

ж \

Рис. 12. Моделирование нарушенности массива в забое подготовительной выработки

Области ЗНС (рис. 11 (б)) через расщепляющую этот пласт породную прослойку мощностью 3. достигают нижерасположенный его слой и совпадают с областями максимального газовыделения из почвы выработки в её борта (рис. 11 (а)).

4. На шахте «Котинская» (Кузбасс) в результате моделирования нарушенности массива в призабойных частях подготовительных выработок (рис. 12 (а, б)) установлено, что в зависимости от ориентации поверхностей ослабления и направления проведения выработок разрушение массива происходит в разных её бортах. Это обстоятельство обеспечивает разработку таких схем проведения подготовительных выработок, которые направляют процесс разрушения массива в требуемые его участки (борта целика либо лавы, кровля либо почва). Данный эффект не обнаруживается в рамках известных моделей. Результаты моделирования нарушенно-сти массива, проведённого при значениях параметров: К = 0, X = 1, ф = 200, а! = 450, р = -550, показали, что такой эффект возможен при определённой ориентации поверхностей ослабления.

Инновационный эффект и перспективы. Изложенный подход учитывает объёмный характер геомеханических процессов в окрестности подземных сооружений и влияние горных работ. Он реализует основное свойство массива - его прочностную анизотропию, ориентируется на основные параметры физических сред, легко идентифицируемые по геологическим материалам и достаточные для адаптации модели и методического обеспечения к реальным условиям. На основе построения картин нарушения сплошности подход обеспечивает точную и дифференцированную оценку параметров подкреплений выработок в зависимости от размеров и конфигурации этой нарушенности. Установление рациональных параметров счётного алгоритма обеспечило реализацию методического обеспечения в среде стандартных пакетов прикладных программ МАТИСАБ, МАТЬАБ на базе персонального компьютера среднего класса. Инновационный характер созданного методического и программного обеспечения проявляется в трёх направлениях. Первое - подготовка ориентированных на технологов шахт комплексов программ, адаптированных к реальным физическим условиям конкретных горных предприятий и типам сооружений, используемых при ведении горных работ.

201

Второе - подготовка результатов оценки и анализа геомеханической обстановки в окрестности подземных сооружений, полученные в ходе отработки заказов горных предприятий. Третье - для проектировщиков создание альбомов геомеханического состояния горных сооружений, систематизирующих и типизирующих картины нарушенности и устойчивости массивов в их окрестности в зависимости от параметров реальных физических сред и технологии ведения горных работ в Кузбассе.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Черданцев Н.В., Изаксон В.Ю. Некоторые трёхмерные и плоские задачи геомеханики. - Кемерово: КузГТУ, 2004.-190 с. ЕШ

— Коротко об авторе -

Черданцев Н.В. - д-р техн. наук, Институт угля и углехимии СО РАН.

© А.В. Зубков, 2008

202