CC BY
38
УДК 622.831
А.А. Неверов, С.А. Неверов, Е.В. Денисова
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО СПОСОБА ОТРАБОТКИ ПОЛОГИХ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ С ЗАКЛАДКОЙ И ОБРУШЕНИЕМ ПОД ОХРАНЯЕМЫМИ ОБЪЕКТАМИ
Выемка слепых рудных залежей под охраняемыми объектами обычно ведется геотехнологиями с полной закладкой очистного пространства. Высокая стоимость компонентов твердеющей закладки заставляет искать пути уменьшения ее расхода. В этой связи применительно к отработке пологопадающих рудных тел предложен способ комбинированной разработки [1-3] с закладкой и обрушением (рис. 1). Сущность его заключается в разделении залежи на участки, отрабатываемые с твердеющей закладкой и обрушением. В первую очередь извлекаются запасы, на месте которых формируются искусственные целики. Во вторую -с отставанием отрабатываются временные рудные целики под обрушенными породами кровли в форме устойчивого свода равновесия шатрового типа. Высота свода определяется заполнением породами выработанного пространства на мощность залежи. Установленная последовательность разработки должна предусматривать статическое деформирование налегающего массива горных
- этажным или подэтажным обрушением.
Для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов этой технологической схемы было проведено численное моделирование методом конечных элементов (МКЭ) [4]. Рассматривались три группы задач для условий тектонического (д = 2) и гравитационного (д = 0.33) исходного полей напряжений. Первая группа - определение НДС в массивах при неотработанных рудных целиках и заложенных камерах. Вторая группа - тоже в результате выемки одного целика. Третья - при отработанных целиках. Расчеты выполнялись по упругой модели для условий плоского деформированного состояния. Условия на границе расчетной области определялись напряженным состоянием нетронутого массива.
Горный массив представляет собой сплошную среду с жестко сцепленными по контактам разномодульными слоями пород. В задачах предполагается, что закладка несет определенную нагрузку и имеет сцепление с рудным телом и вмещающими
Рис. 1. Комбинированный способ разработки с закладкой и обрушением: 1 - участки, отрабатываемые системами разработки с закладкой выработанного пространства; 2 - то же системами с обрушением
породами. Последнее позволяет принять ее низкомодульным упругим материалом, обеспечи-
пород и плавное его оседание.
В зависимости от горно-геологических условий, выемка участков с твердеющей закладкой может осуществляться слоевыми или камерными системами. Отработка временных рудных целиков
Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.»
вающим сплошность очистного пространства с окружающим массивом. В первом приближении можно считать, что отсутствуют какие-либо разрывные смещения по контактам закладки и вмещающих пород.
Рудный, породный массивы и закладка моделировались упругими, изотропными, линейно-деформируемыми, однородными материалами с
Таблица. Физико-механические свойства массивов
Наименование Объемный вес, кг/м3 Коэффициент Пуассона Модуль упругости (Е), ГПа
Рудный массив 4000 0.22 50
Породный массив 2700 0.25 60
Закладка 1900 0.33 5
физико-механическими свойства представленными в таблице
Основными геометрическими параметрами расчетных вариантов рассматриваемого способа разработки являются: глубина разработки Н = 600-1200 м; ширина заложенных камер Вк = 60 м; ширина временных рудных целиков Вц = 30-60 м. Результаты расчетов приведены в виде картин изолиний компонент главных напряжений (МПа). За максимальное главное напряжение принималось о1, за минимальное - о3, растяжение - со знаком «минус».
На рис. 2, 3 приведены сравнительные данные о распределении действующих напряжений в элементах технологии в зависимости от исходного поля для первой и третьей групп задач при Н = 800 м, Вк = 60 м, Вц = 40 м.
Анализ НДС элементов геотехнологии для первой группы задач (рис. 2) показал, что искусственные целики пригружены несущественно (О 1 до 8 МПа, 03 до 4-6 МПа) и испытывают состояние двухосного сжатия. В данном случае, основ-
ную пригрузку воспринимают временные рудные целики, которая с увеличением глубины разработки (600-1200 м) возрастает почти в 2 раза (рис. 4 а). В условиях гравитационного исходного поля напряжений рост о1 в центральной части рудных целиков на 8-10% больше, чем в условиях д = 2.
Подобная ситуация наблюдается в искусственных закладочных массивах (рис. 4 б). Область растяжения отмечается в породах кровли и почвы заложенных камер в варианте д = 0.33, которая с глубиной усиливается до 03 = -2 ^ -5 МПа. За счет высоких горизонтальных напряжений, действующих в массиве, при д = 2 значения о1 в налегающей толщи в 3.5-4.5 раза выше, чем в условиях гравитации. Поэтому зон с растягивающими напряжениями при д = 2 не возникает.
Принудительное обрушение пород кровли выполняет функции исключения заброса отбитой руды в выработанное пространство, а также под-бучивания обнажений искусственных целиков, повышая тем самым их прочность и устойчивость за счет бокового подпора.
а
б
Рис. 2. Характер распределения главных напряжений в элементах геотехнологии для первой группы задач при Н = 800 м, Вк = 60 м, Вц = 40 м: а - при q = 2; б - q = 0.33
а
13 13 ^—6'\Vkv/'< У/У/ \ / ■ (Уг 4 /у,/Ах, 61\f20>)
■ • -. $ ' - • > • • •* . . * * 0 ' 2,5 , • 0
//№/// V 13^6 6 13< УУУ/ УУУУ/ 13 / / / / / / / \ К ' ^3 ■v^ / / / / / / 1V / / / / /У/
Рис. 3. Характер распределения главных напряжений в элементах геотехнологии для третьей группы задач при Н = 800 м, Вк = 60 м, Вц = 40 м: а - при q = 2; б - q = 0.33
б
а
МПа
60
50 40 30 20 10 0
600 700 800 900 1000 1100 1200
Глубина горных работ, м
В
(Jj МПа
25
20 15 10
5 -I------------------------------------------
30 35 40 45 50 55 60
Ширина рудного целика, м
Выемка рудных целиков сопровождается существенным ростом напряжений в искусственных целиках (рис. 3). При нагрузках 8-10 МПа (в случаи одноосного сжатия) прочность искусственных целиков, обусловленная цементным скелетом закладочного массива, будет исчерпана, вяжущие связи разрушатся, а наличие зон растяжения в породах кровли над закладочными массивами будут способствовать к потере их устойчивости. В этих условиях следует ожидать плавного смещения налегающей толщи пород. Такая последовательность отработки создает более безопасные и контролируемые условия оседания кровли. Наиболее неблагоприятная ситуация складывается при q = 0.33 в породах почвы под отработанными рудными целиками, где растягивающие напряжения достигают а3 = -8 МПа.
Оценка влияния ширины рудного целика на НДС элементов геотехнологии позволила установить следующее. Уменьшение Вц с 60 до 30 м сопровождается ростом напряжений а1 в их центральной части на 25-30 и 40% соответственно при q = 2 и q = 0.33. Следует отметить, что выемка одного рудного целика сопровождается увеличением нагрузки а1 в смежном на 20-30%. Погашение рудных целиков, как отмечалось выше, ведет к увеличению пролета отработки, вызывая тем самым дополнительную пригрузку закладочных
¡р ч = о,зз
"У L--
4 = 2
ч - 0,33
б
МПа
у° 1
Г^з
600 700 800 900 1000 1100 1200
Глубина горных работ, и
Рис. 4. Изменение главных напряжений для первой группы задач (а, б) при Вк = 60 м, Вц = 40 м в зависимости от Н и исходного поля напряжений:
а - в центе временных рудных целиков между заложенными камерами;
б - в центре заложенных камер; в - распределение напряжений о1 в центре заложенных камер в зависимости от Вц при Н = 800 м и Вк = 60 м: і - для I группы задач, 2 - III группа задач
массивов. Так при увеличении Вц с 30 до 60 м (отработанного целика) максимальные напряжения в искусственных массивах повышаются на 30 и 35% соответственно в условиях гравитации и тектоники. Сопоставляя полученные результаты НДС заложенных камер при наличии рудных целиков и в условиях после их отработки видно, что рост давления в искусственных массивах при q = 2 составляет более чем 1.5-2, в варианте q = 0.33 более 1.8-2.6 раза (рис. 4 в). Изменения растягивающих усилий в породах кровли в зависимости от Вц для III - группы задач в ситуации q = 2 свидетельствуют, что их величины зависят от углов наклона свода обрушения. При Вц = 60 м угол является менее крутым, чем в условиях Вц = 30-40 м. Вследствие этого значения растягивающих напряжений уменьшаются с аъ = -4^-8 до аъ = -1^-1,5 МПа. Наличие в кровле незначительных по величине растягивающих нагрузок будет способствовать плавному перемещению налегающей толщи пород.
Выводы. Рациональными параметрами временных рудных и искусственных целиков, принятых в расчетных условиях являются Вк = Вц = 60 м. На стадии добычных работ высокие тектонические напряжения позволяют поддерживать в устойчивом состоянии налегающий массив горных пород. Наличие шатрового свода равновесия при-
водит к разгрузке пород кровли от высоких горизонтальных напряжений при q = 2, что является следствием возникновения зон растяжения, величина которых зависит от Вц и углов наклона свода. Исполнение технологии и последовательность
выемки создают условия, при которых искусственные целики обеспечивают плавное смещение кровли над всем выработанным пространством, создавая вероятность статического проявления горного давления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент РФ № 1606667. Способ управления давлением // Фрейдин А.М., Какойло В.Н., Шалауров В.А., и др.; патентообладатель ИГД СО РАН // - опубл. в БИ, 1990, № 42.
2. Фрейдин А.М. Повышение эффективности подземной разработки рудных месторождений Сибири и Дальнего Востока / А.М. Фрейдин, В. А. Шалауров, и др. - Новосибирск: Наука, 1992.
3. Болтенгаген И.Л. Расчет параметров выемочных единиц комбинированного способа разработки / И.Л.Болтенгаген, Попов С.Н. Оптимизация подземных горных работ на рудниках. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1989.
4. Зенкевич О. Метод конечных
□ Авторы статьи:
Неверов Александр Алексеевич, канд.техн.наук., старший научный сотрудник,
(Институт горного дела СО РАН)
Е-mail: [email protected], [email protected]
УДК 534.61 Е.В. Денисова, А.А. Неверов, С.Ю. Гаврилов, А.И.Конурин ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПАРАМЕТРОВ АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ, ИНДУЦИРОВАННОГО ДВИЖУЩЕЙСЯ В ГРУНТЕ ПНЕВМОУДАРНОЙ МАШИНОЙ
х элементов в технике. - М.: Мир, 1975.
Неверов Сергей Алексеевич, канд.техн.наук, старший научный сотрудник (Институт горного дела СО РАН) Тел. (383) 217-09-52; е-таД: [email protected]
Денисова Екатерина Вячеславовна, канд.техн.наук, старший научный сотрудник(Институт горного дела СО РАН) Тел.(383) 217-09-52
Задача отслеживания местоположения ударных машин в грунтовом массиве при сооружении подземных переходов последние годы становиться актуальной по причине развития и создания управляемых машин. В настоящее время для решения этой проблемы используют только низкочастотные электромагнитные навигационные системы иностранного производства, которые интегрированы в рабочий орган пневмоударной машины [1, 2]. Недостаточное внимание уделено созданию акустических систем навигации для бестраншейных технологий прокладки подземных коммуникаций, существуют всего две заявки на получение патента РФ на изобретение [3, 4], принцип работы которых основан на использовании акустического поля, создаваемого движением в грунтовом массиве бурового рабочего органа. К сожалению, данные устройства не нашли своего практического применения при решении поставленной задачи.
Дальнейшее развитие бестраншейных технологий в России невозможно без создания технических средств навигации предназначенных для оте-
Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.»
чественных пневмопробойников, обеспечивающих минимальные вмешательства в конструкцию машины, надежность, информативность и точность при определении ее местоположения. Для этих целей необходимо выполнить большой объем исследований по прохождению электромагнитных и акустических сигналов в грунтовом массиве, определить оптимальный частотный диапазон системы для обеспечения требуемой разрешающей способности по углу отклонения машины и по дальности до нее, выявить влияние уже проложенных коммуникаций на точность работы системы навигации.
В связи с этим выполнены экспериментальные исследования в натурных условиях, цель которых заключалась в следующем - на поверхности земли измерить акустические сигналы, создаваемые движущимся в грунте пневмопробойником, на заданных расстояниях относительно источника удара. По данным экспериментальных исследований получить информацию о характере распределения акустического поля и о взаимосвязях его параметров со свойствами среды и положением источника удара в грунтовом массиве. Получить выводы о возможности использования самой машины в качестве источника ударных импульсов при реализации акустической системы
навигации.
Для проведения экспериментальных исследований использовалось следующее оборудование: пневмопробойник с энергией удара 22 Дж, длиной рабочего органа 55 см; акселерометр КД29, ШВ-осциллограф АСК-3106, ноутбук Асег 150, влагомер (рис. 1).
уменьшения амплитуды импульса с увеличением
Рис. 1. Оборудование для исследования параметров нелинейных упругих волн, создаваемых движущейся в грунте пневмоударной машиной: 1 -акселерометр КБ29; 2 - ПББ-осциллограф АСК-3601; 3 - ноутбук Асег 150; 4 - влагомер; 5 -пневмопробойник
Методика проведения экспериментальных исследований заключалась в следующем: пневмопробойник запускался в грунтовый массив на глубину 25 и 50 см от поверхности земли, после заглубления машины на всю ее длину акселерометр устанавливался в точку над местом удара (т.е. над носовой частью машины, что соответствует отметке 0 на рис.2), далее измерялся сигнал в точке 0, работу пневмопробойника останавливали в момент передвижения акселерометра в точку 20 (что соответствует отклонению машины на 20 см), после установки акселерометра движение пневмопробойника запускалось и осуществлялась запись сигнала, таким образом, были осуществлены измерения в точках 40, 60 и 80 влево относительно оси движения машины и вправо от нее (что соответствует отклонению машины на 40, 60 и 80 см).
Амплитудные ошибки контролировались с помощью постоянных замеров дальности до машины и установкой акселерометра строго вдоль оси, проходящей над носовой частью пневмопробойника. Данные с акселерометра поступали на осциллограф АСК-3106 и далее на ноутбук. Файлы с данными из программы для осциллографа экспортировались в программу Ехсеї 2007, а затем в Mathcad 14 для построения спектров принятых сигналов.
На рис. 3 представлены зависимости амплитуды принятого сигнала от времени его распространения в грунтовом массиве. Можно отметить, что большинство данных показывают тенденцию
исследования параметров акустического поля, создаваемого движущимся пневмопробойником в грунтовом массиве (пунктиром отмечено наличие параллельно оси его движения неоднородности в виде металлической трубы соизмеримого с ним диаметра)
При обработке экспериментальных данных использовался метод спектрального анализа одиночных ударных импульсов, индуцированных движением пневмопробойника в грунтовом массиве. Рассчитывалось дискретное преобразование Фурье «-мерного вектора V, п=2т - число элементов в V, 7 - мнимая единица:
1
п-1
с і =~Г !.пе2п( і'п)к,
-1пк=0
к
где ^к =— , & - частота измерения исходного
п
сигнала; Ап = 7(1ш(с]))2 + (Ке(Сі))2 [5].
На рис. 4 представлен результат спектрального анализа одиночного ударного импульса при отклонении машины на 15 см вправо (измерения осуществлялись над искусственной неоднородностью - металлической трубой) или влево (грунт без неоднородностей). Согласно данным исследованиям можно отметить, что спектр импульса, записанного непосредственно над металлической неоднородностью, содержит высокочастотные составляющие, амплитуды которых значительны при определении местоположения машины над однородным грунтом (рис. 4). Таким образом, можно инструментально выделить сигнал от неоднородности и не учитывать его при определении местоположения машины.
Ниже на рис. 5 представлены зависимости амплитуды одиночного импульса, индуцированного превышают амплитуды спектра сигнала, записанного над однородным грунтом (рис. 4). Таким образом, можно инструментально выделить сигнал от неоднородности и не учитывать его при
амплитуда, В амплитуда, В
а
глубина 25 см, с неоднородностью
0,03 0,02 0,01 3
■0,01 ■0,02 ■3,03 ■3,04 ■0,05
б
глубина 25 см, без неоднородности
0.01
0.005 О
-0.005 -О 01 -0,015 -0.02 -0.025 -0.03 -0.035 -0.04 -0.045
Рис. 3. Примеры записанных одиночных импульсов, создаваемых движущимся в грунте пневмопробойником при отклонении его на 0, 15 и 30 см вправо и влево соответственно: а) при наличии параллельно ему в одной горизонтальной плоскости на расстоянии 15 см неоднородности в виде металлической трубы соизмеримого с ним диаметра; б) без неоднородности
бхЮ“3 5.4х1СГ3 4.8x10-3 4.2x10-3 З.бхКГ3
Ап.......
2.4х1СГ3
1.8x1 III-3 1.2x1 III-3 £>х1(Г4 О
<00 790 980 1 17x1 о3 1 З6*103 155*10* 1 74x103 1 93*103 2 12*103 2 31~103 2 5*103
_ Л_ .... о см
глубина 25см -----------15 см вправо
с неоднородностью-------15 СМ влево
-------ЗОсм вправо
Гк)Гц
Рис. 4. Увеличенный участок спектра одиночного ударного импульса, индуцированного пневмо-ударной машиной движущейся в грунте
Рис. 5. Распределение акустической мощности (в относительных единицах) от угла или величины отклонения (в сантиметрах) пневмопробойника от заданного курса: а) при дальности до машины 25 см; б)
при дальности до машины 50 см
движущейся в грунте пневмоударной машиной, от ее отклонения вправо или влево на 20, 40, 60 и 80 см. При этом измерения производились непосредственно над машиной и на расстоянии до 1 м. По данным зависимостям можно отметить снижение разрешающей способности по углу отклонения машины от заданного курса при увеличении дальности до машины. Также с увеличением дальности между приемным устройством (акселерометром) и пневмопробойником возникает вероятность ложных выбросов амплитуды, которые по
всей видимости связаны с наличием в грунтовом массиве искусственных неоднородностей.
Выводы. Таким образом, экспериментально установлено, что применение акустического метода обеспечивает достаточную точность и дальность при определении положения пневмоударной машины в грунтовом массиве, что позволит осуществлять контроль за процессом его деформирования. Для повышения точности акустического метода целесообразно выполнять спектральный анализ одиночных ударных импульсов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Опарин В.Н., Денисова Е.В. Принципы построения радиочастотных систем навигации для бестраншейных технологий прокладки подземных коммуникаций. - Новосибирск: СО РАН, 2011. - 132 с.
2. РыбаковА.П. Основы бестраншейных технологий (теория и практика). - М.: ПрессБюро №1, 2005. 304 с.
3. Заявка на получения патента РФ на изобретение №93027051. Устройство для непрерывного определения местоположения бурового инструмента / Иванов Ю.В. // Опубл. 10.02.1996.
4. Заявка на получения патента РФ на изобретение №93021187. Устройство для непрерывного определения местоположения бурового инструмента / Иванов Ю.В. // Опубл. 27.01.1996.
5. Харкевич А.А. Спектры и анализ. - М.: Государственное издательство теоретико-технической литературы, 1952. - 192 с.
□ Авторы статьи:
Денисова Екатерина Вячеславовна, канд.техн.наук, ст. научн. сотр. (Институт горного дела СО РАН) Тел.(383) 217-09-52
Неверов Александр Алексеевич, канд.техн.наук., ст. научн. сотр.(Институт горного дела СОРАН); е-mail: [email protected]
Гаврилов Сергей Юрьевич, аспирант ( Институт горного дела СО РАН), тел. (383) 217-09-52
Конурин
Антон Игоревич, аспирант (Институт горного дела СО РАН), тел. (383) 217-09-52
а
б
