Исследование влияния напряженнодеформированного состояния массива отбиваемого слоя на размеры зоны разрушения Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 7

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ ’’НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001”

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2000 г.

© В.А. Лапин, 2001

УДК 622.235

В.А. Лапин

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ОТБИВАЕМОГО СЛОЯ НА РАЗМЕРЫ ЗОНЫ РАЗРУШЕНИЯ

В

связи с переходом отработки месторождений на глубокие горизонты увеличивается горное давление в массиве, которое необходимо учитывать при расчете параметров системы разработки.

На напряженно-деформированное состояние массива оказывают влияние глубина разработки, свойства руд и пород, слагающих горный массив, тектонические силы, а также порядок отработки выемочных участков.

В настоящее время на медно-цинковых месторождениях Урала применяется преимущественно этажно-камерная система разработки. Присущие системам с открытым очистным пространством большие площади обнажений и объемы открытого пространства приводят к перераспределению напряжений в окружающем массиве. Известно, как отмечено многими исследователями [1, 2 и др.], что напряженное состояние отбиваемого массива влияет на действие взрыва и показатели отбойки. Поэтому учет величины действующих в массиве напряжений в области действия заряда необходим для корректировки параметров скважинной отбойки.

Для определения величин напряжений была построена объемная математическая модель участка месторождения, позволяющая имитировать отработку камер с различными параметрами и

Рис. 1. Г еомеханическая модель отработки камеры

порядком их выемки в пределах двух этажей с возможностью отслеживания напряженно-деформированного состояния в отбиваемых слоях (рис. 1).

Порядок отработки имитируется изменением свойств среды соответствующих камер. Предполагаются следующие типы среды: рудный массив, закладка, открытое очистное пространство. Окружающая модель среда имеет усредненные свойства пород.

В целях получения достоверных результатов моделирования были определены упругие и акустические свойства руд и пород Гайского (образцы кернов отобраны в интервале 750-830 м) и Учалинского (образцы отобраны с гор. 300 м) рудников.

Анализ свойств руд, пород Учалинского, Гайского и ряда медноколчеданных месторождений

Южного Урала позволил сделать вывод о том, что их соответствующие прочностные и упругие

свойства изменяются в довольно ограниченном пределе. Их усредненные значения использованы для задания свойств среды модели.

Для достоверности получаемых результатов моделирования на Учалинском, Гайском, Бури-баевском и Узельгинском подземном рудниках были проведены замеры напряженного состояния массива методами щелевой разгрузки и «больших баз». Результаты замеров позволили определить действующие напряжения в массиве и тектоническую составляющую тензора напряжений, которая закладывалась в модель и, в итоге сравнить полученные результаты моделирования с фактическими.

В первом случае моделировалась отработка первичной камеры со сформированной отрезной щелью шириной 5 м. Изолинии напряжений в слое на расстоянии 5 м от отрезной щели представлены на рис. 2.

Графики изменения средних значений напряжений по ширине слоя показаны на рис. 3.

Анализ результатов моделирования (36 моделей) позволил установить зависимость изменения напряжений стх ст-у в точках от ширины выра-

ботанного пространства и расстояния от выработанного пространства до отбиваемого слоя в камерах первой очереди

о х =-0,15 • г - 0,01-ВЩ + 0,3 •(Вкам + Y)-0,01-г - 9,81, МПа, при Кд = 0,84,

оУ = 0,09 • г + 0,07 • ВЩ - 0,06 • (Вкам + Y) + 0,01 • г - 8,86, МПа, при Кд = 0,96,

Ог = 0,07 • г - 0,04 • ВЩ + 0,03 • (Вкам + У) - 0,07 • г -16,22, МПа, при Кд = 0,93,

где г - расстояние от заряда до выработанного пространства, м; Вщ - длина выработанного пространства, м; Вкам - ширина камеры, м; У - расстояние от камеры до искомой точки, м; г - высота точки от почвы камеры, м; Кд - коэффициент детерминации.

Данные формулы позволяют прогнозировать величину действующих напряжений в любой точке относительно центра камеры, рудный массив представлен сплошным медным колчеданом, породный задан свойствами туфобрекчий, глубина разработки 600 м, тектонические силы отсутствуют. При данных условиях максимальные горизонтальные сжимающие напряжения составили 9,3 МПа, минимальные 1,05 МПа, изменение вертикальных напряжений происходило в интервале от 22,7 МПа до 16,7 МПа.

Результаты моделирования с учетом тектонической составляющей, равной (1,6-2,2)уН для условий рудников Южного Урала, дают аналогичную картину распределения горизонтальных напряжений в слое, но их величина увеличивается в среднем в 2-2,5 раза. Разница между напряжениями, действующими вдоль слоя и перпендикулярно ему, достигает 12,3 раза или 14,2 МПа.

Не трудно предположить, что понижения уровня горных работ до 800-1000 м приведет к увеличению действующих напряжений в 2-2,5 раза, а в камерах второй очереди, являющихся несущими конструкциями в 3 и более раз.

В массиве, находящемся под нагрузкой, достигающей 50-80% от предела прочности горных пород изменяются акустические и упругие свойства, что в свою очередь влияет на процесс распространения сейсмических волн от взрыва.

Взрыв заряда в среде сопровождается распространением поля напряжений и деформаций, имеющих волновую природу и распространяющихся со скоростью звука. Многочисленными экспериментальными исследованиями установлено, что для зарядов, обладающих сферической симметрией, напряжения на фронте волны сжатия меняются по закону

= К

^1/3 Г

где Ку - коэффициент, зависящий от свойств среды и энергетической характеристики ВВ; Q -масса заряда; г - расстояние до заряда; и - коэффициент, характеризующий интенсивность затухания колебаний с расстоянием.

При взрыве заряда разрушение среды у свободной поверхности произойдет, если будет выполнено условие [Ср]< <ГР, где [О]

а

з

г

- предел прочности горной породы на растяжение при динамическом нагружении.

По теории упругости известно соотношение между действующим напряжением на фронте ударной волны (Ср) и скоростью смещения (V)

а р = — • V • Ср ,

§

из которого можно определить величину критической скорости Vкр.

Тогда условие разрушения среды под воздействием волн напряжений можно оценить через скорость смещения частиц при взрыве Vкр<V.

Рис. 4. Изменение коэффициентов Ку и и от напряженного состояния массива медного колчедана

Рис. 5. Изменение скоростей распространения продольных и поперечных волн в массиве медного колчедана при различном статическом нагружении

влияние изменения напряжений в интервале 5-40 % от разрушающей нагрузки на величину скорости смещения, причем коэффициент, характеризующий среду (Ку) увеличивается на 21 -43 %, а показатель затухания колебаний (и) - на 20-26 %.

Для определения изменения скорости распространения волн Ср и С в зависимости от нагрузки были отобраны керны

сплошного и вкрапленного медного колчедана разведочных скважин 3239р, 3237р, 3217р, 3270, 3275р с этажа 750830 м Гайского подземного рудника, которые подвергались испытаниям при различной величине статического нагружения. Зависимость изменения скоростей распространения продольных и поперечных волн показана на рис. 5.

По Ю.В. Тогунову и Н А. Кокареву [4] скорость смещения вокруг удлиненного одиночного заряда в любой точке пространства может быть определена по зависимости

К • Рт

V = у скв

l + a

l +

l + a }

2

1 +

где l - длина заряда, м; а - расстояние от основания проекции точки наблюдения на ось заряда до ближайшего его конца, м; г - радиус воронки дробления, м; Рскв - вместимость 1м скважины, кг; m - показатель, равный V /3.

m

й

V

2

г

г У

Исследованиями М.Н. Цыгалова, В.Д. Печенки-на, Г.Н. Караулова и В.Т. Пашкова [3] установлено

Рис.6. Зависимость радиуса воронки разрушения (г) от действующих напряжений

(СТ), МПа

напряжений построен график изменения радиуса воронки разрушения от действующих напряжений (рис. 6).

Таким образом, можно отметить, что в интервале изменения напряжений от 5 до 40 % от разрушающей нагрузки радиус воронки разрушения изменяется на 20

Кроме этого, на массив действуют напряжения, отличающиеся по величине и направлению приложения нагрузки. Следовательно, зона разрушения также

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

%.

Преобразуя приведенную зависимость и подставив параметры Ку, V и скорость

нения волн Ср при соответствующих величинах

будет различной величины по соответствующим направлениям приложения нагрузки, отличной от сферической формы.

1. Койлов В.Г., Семенюк И.А., Черныгина Л.Ф., Черныгин В.П. Разрушение напряженных твердых сред взрывом. Киев, «Наукова думка», 1975.

Беляцкий В.П., Рыскунов А.А., Синай Ю.Б. Снижение напряженности горного массива с помощью взрывов. М.: Наука, 1979.

3. Цыгалов М.Н., Печенкин В.Д., Караулов Г.А., Пашков В.Т. /Сб. трудов, - МГМИ, №145, 1975.

4. Тогунов Ю.В., Кокарев Н.А. Расчет поля скоростей смещения частиц вокруг удлиненного заря-да./Сб. трудов, - МГМИ, №75, 1970.

2. Ханукаев А.Н., Кусов Н.Ф., Пшеничный В.И., Брайцев А.В.,

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Лапин В.А. — Магнитогорский государственный технический университет.