CC BY
18
УДК 622.273.212.001.57
Рубчевский Юрий Игоревич
аспирант кафедры строительства горных предприятий и подземных сооружений, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 199106, г. Санкт-Петербург, Васильевский остров, 21 линия, д. 2 e-mail: yura1991 gs@,mail.ru.
DOI: 10.18454/2313-1586.2016.02.065
Rubchevsky Yury I.
postgraduate student of mining facilities and underground structures construction department, The National mineral resources university (Mining University), 199106, St Petersburg, Vasiljevsky island, 21st Line, 2 e-mail: yura1991 gs@mail.ru
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В ЗАКЛАДОЧНОМ МАССИВЕ
GEO-MECHANICAL PROCESSESS MODELING DURING MINING WORKINGS DRIVING IN THE FILLING MASS
Аннотация:
В работе рассмотрено Яковлевское месторождение богатых железных руд, отрабатываемое комбинированной системой разработки, предусматривающей на первом этапе отработку слоев с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями. На базе упруго-пластической модели определены напряженно-деформированные состояния (НДС) закладочного массива и рассмотрено формирование НДС вокруг выработки в зависимости от глубины разработки рудной залежи.
Ключевые слова: железные руды, закладочный массив, напряженно-деформированное состояние
Abstract:
The description of Yakovlevsky rich iron ore deposit, mined by combined system, providing for layers development with filling worked-out area by hardening mixtures at the first stage is considered in the article. In terms of elastic and plastic model the filling mass stressed-deformed state (SDS) is determined and the SDS formation around the mining working, depending on the depth of ore deposit development is cited.
Key words: iron ores, filling mass, stressed-de-formed state
Введение
Яковлевское месторождение Курской магнитной аномалии (КМА) по ценности и запасам богатых железных руд, по сложности горнотехнических, геологических и гидрогеологических условий является уникальным [1 - 3].
Оно состоит из пород кристаллического фундамента и покрывающей осадочной толщи мощностью порядка 550 м [4 - 6].
Разработка месторождения на первом этапе осуществляется слоевой системой с последующим переходом на высокопроизводительную камерную систему разработки. При этом возникает необходимость проведения и поддержания подготовительных выработок в закладочном массиве. Для описания модели поведения рудного и закладочного массивов было использовано численное моделирование с применением метода конечных элементов (МКЭ) [7].
Методика
Задача по определению НДС закладочного массива решена в плоской постановке. Реальный массив заменялся весомой конечной областью (рис. 1). Выбран способ задания граничных условий, при котором запрещаются перемещения по боковым граням области по оси х и по нижней грани по оси _у. Естественное напряженно-деформированное состояние массива задавалось вертикальными и горизонтальными напряжениями, приложенными к граням конечно-элементной модели. Величина вертикальных напряжений принята на основании ранее выполненных расчетов НДС неоднородного рудного массива
после проведения работ по осушению первоочередного участка отработки на границе «известняки карбона - рудное тело» [8].
/77К7 //А// ///)// /77^77 /7^77 ///}// /7/У/7 /7^77 /777/7 /77^77 /7П77 /77777 //7777 ///}// /77^77
Рис. 1 - Расчетная схема конечно-элементной модели
Коэффициент бокового распора определялся по формуле:
2 90-ф
Ь = tg2
2
(1)
где ф - угол внутреннего трения рассматриваемом руды.
Таким образом, вертикальные напряжения составили Оу= 7 МПа, а горизонтальные Ох = ХуН = 3 МПа.
Модель представляет собой участок массива размером 140*200 м, который разбивался на 51359, 57067, 67659 и 72599 плоских четырехузловых элемента в зависимости от постановки задачи. На рис. 2 представлен один из вариантов моделирования - конечно-элементная сетка при нисходящей отработке 3 слоев под защитным перекрытием. Размеры элементов в районе выработки составляли 0,2 м, а по мере удаления увеличивались и на границах модели доходили до 5 м.
Для обоснования геомеханической модели закладочного массива были проведены экспериментальные исследования образцов керна закладочного материала марок прочности М100 и М40. На основании полученных диаграмм можно было выделить два ярко выраженных участка: упругий участок (1) и предельное состояние (2), которые охарактеризовали упруго-пластическое деформирование закладочного материала, что позволяет применить упруго-пластическую модель для изучения геомеханических процессов в закладочном массиве [9].
Рис. 2 - Фрагмент сетки конечных элементов при нисходящей отработке 3 слоев под защитным перекрытием
Физико-механические свойства закладочного материала марок М100 и М40 и рыхлых железнослюдково-мартитовых руд, применяемые в модели, представлены в табл. 1.
Таблица 1
Физико-механические свойства рыхлых железнослюдково-мартитовых руд
и закладочного материала
Наименование руд и материалов Модуль деформации E, МПа Коэффициент Пуассона д Удельный вес р, МН/м3 Сцепление С, МПа Угол внутреннего трения Ф, град
Рыхлая железнослюдково-мартитовая руда 1300 0,26 0,034 2,9 25
Закладочный материал М100 7200 0,20 0,019 2,38 22
М40 5500 0,18 0,019 1,11 20
Результаты
При постановке задачи было решено рассмотреть четыре варианта моделирования НДС закладочного массива вокруг выработки: при ее расположении во 2-м, 3-м, 4-м и 5-м слоях под защитным перекрытием (соответственно, гор. -378 м, -382 м, -386 м, -390 м). Пример выработки, пройденной в закладочном массиве в 4-м слое под защитным перекрытием приведен на рис. 3.
Рис. 3 - Выработка, пройденная в закладочном массиве, в 4-м слое (гор. -386 м), при отработке четырех слоев под защитным перекрытием
При отработке 2, 3, 4 и 5 слоев под защитным перекрытием решение, соответственно, состояло из 20, 26, 32 и 38 последовательно выполняемых шагов.
После окончания нисходящей отработки слоев и формирования закладочного массива вокруг последнего происходит перераспределение полей напряжений [10 - 12]. Это, в свою очередь, формирует новые поля вертикальных и горизонтальных напряжений на контуре закладочного массива (рис. 4).
Таким образом, вертикальные напряжения на контуре закладочного массива при отработке 4 слоев под защитным перекрытием составили Оу= 5,9 МПа, а горизонтальные Ох = 2,6 МПа. Для варианта отработки 2, 3 и 5 слоев под защитным перекрытием величины вертикальных напряжений составили, соответственно, 5,5, 5,7 и 6,0 МПа, а горизонтальных напряжений 2,1, 2,4 и 2,7 МПа.
На заключительном шаге моделирования (20, 26, 32 и 38 шаг моделирования) были получены значения коэффициента концентрации максимальных главных напряжений и смещений на контуре выработки, пройденной в закладочном массиве (рис. 5).
Рис. 4 - Значение вертикальных и горизонтальных напряжений на контуре сформированного закладочного массива при отработке 4 слоев под защитным перекрытием
а)
б)
Рис. 5 - Значение коэффициента концентрации максимальных главных напряжений (а) и смещений (и, мм) (б) на контуре выработки, пройденной в закладочном массиве под защитным перекрытием, при отработке 4 слоев под защитным перекрытием
Выводы
Анализ данных, полученных при моделировании проведения горной выработки в сформировавшемся закладочном массиве, позволяет сделать следующие выводы:
- после слоевой отработки рудного массива и выполнения закладочных работ происходит изменение НДС на границах закладочного массива, что, в свою очередь, влияет на формирование новых полей вертикальных и горизонтальных напряжений на его контуре. При этом вертикальные и горизонтальные напряжения увеличиваются, соответственно, на 9,1% и 28,6 %, от 5,5 МПа и 2,1 МПа при отработке 2 слоев под защитным перекрытием до величины 6,0 МПа и 2,7 МПа при отработке 5 слоев под защитным перекрытием, с ростом глубины разработки (рис. 6);
- необходимо отметить тот факт, что с увеличением глубины разработки рудной залежи происходит рост значений коэффициента концентрации максимальных главных напряжений и смещений на контуре выработки, пройденной в закладочном массиве
(см. рис. 5). Коэффициент концентрации максимальных главных напряжения и смещения увеличивается, соответственно, на 7,3 % и 27,8 %, от 3,16 и 9,7 мм для выработки, пройденной в закладочном массиве во 2-м слое, до величин 3,39 и 12,4 мм для выработки, пройденной в закладочном массиве в 5-м слое, с ростом глубины разработки (рис. 7).
6,2
а
С
ы н ь л а к и
т р
о
« 5,8 и н е
се ^ 5,6 ш Л
^ с
а
я 5,4
5,2
377,0 379,0 381,0 383,0 385,0 387,0 Глубина разработки, м
2,9 2,8 2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2
389,0 391,0
2
х л
ч
ей
н X о
со К а
а
а
с
о
я и н е еж
я р
п а н
-Величина вертикальных напряжений на контуре закладочного массива
-Величина горизонтальных напряжений на контуре закладочного массива
Рис. 6 - Зависимость изменения вертикальных и горизонтальных напряжений на контуре сформировавшегося закладочного массива от глубины разработки
в й и н е
ц еж ая
ра р
ев X
и
и ц
н X
е ц
н онк
т н е
и ц
и ф
ф
э о оК
н ь
3,5
3,4
3,3
и ё 3,2
X & Й ^ й «
* й л о
3,1
л
и
2,9
377,0 379,0 381,0 383,0 385,0 387,0 Глубина разработки, м
13,1 12,6 12,1 11,6 11,1 10,6 10,1 9,6
9,1
389,0 391,0
я и н
е ще
е м
О
-Коэффициент концентрации максимальных главных напряжений на контуре
выработки
-Величина максимальных смещений на контуре выработки
Рис. 7 - Зависимость изменения коэффициента концентрации максимальных главных напряжений и смещений на контуре выработки, пройденной в закладочном массиве, от глубины разработки
3
6
3
Литература
1. Трушко В.Л. Геомеханические и гидрогеологические проблемы освоения Яко-влевского месторождения / В.Л. Трушко, А.Г. Протосеня, Р.Э. Дашко // Записки горного института. - 2010. - Т. 185. - С. 9-18.
2. Дашко Р.Э. Исследование возможности прорывов подземных вод из нижнего каменноугольного водоносного горизонта в горные выработки Яковлевского рудника / Р.Э. Дашко, А.В. Волкова // Записки горного института. - 2006. - Т. 168. - С. 142-148.
3. Дашко Р.Э. Инженерно-геологическая характеристика и оценка богатых железных руд Яковлевского рудника / Р.Э. Дашко // Записки горного института. - 2006. -Т. 168. - С. 97-104.
4. Сергеев C.B. Опыт разработки богатых железных руд Яковлевского месторождения КМА / C.B. Сергеев, А.И. Лябах, Д.А. Зайцев // Научные ведомости БелГУ. - 2011.
- №3 (14). - С. 200 - 208.
5. Зыков Д.Б. Исследование прочностных и деформационных свойств гидрогема-титовых руд Яковлевского месторождения / Д.Б. Зыков, Д.Н. Петров // Записки Горного института. - 2005. - Т. 167. - С. 141 - 144.
6. Зубов В.П. Концепция отработки Яковлевского железорудного месторождения на участках богатых железных руд / В.П. Зубов, А.А. Антонов // Записки Горного института. - 2006. - Т. 168. - С. 203 - 210.
7. Галлагер Р. Метод конечных элементов: Основы / Р. Галлагер. - М.: Мир, 1984.
- 428 с.
8. Потемкин Д.А. Моделирование процессов сдвижения массива горных пород при нисходящем порядке отработки рудного тела Яковлевского месторождения / Д.А. Потемкин // Записки Горного института. - 2007. - Т. 168. - С. 137 - 141.
9. Трушко В.Л. Моделирование напряженно-деформированного состояния закладочного массива при проведении подготовительных выработок / В.Л. Трушко, Ю.И. Руб-чевский // Естественные и технические науки. - 2015. - № 11. - С. 241 - 250.
10. Петров Д.Н. Формирование напряженно-деформированного состояния горного массива до и после осушения / Д.Н. Петров // Записки Горного института. - 2011. -Т. 190. - С. 232 - 239.
11. Трушко О.В. Моделирование напряженно-деформированного состояния рудного массива Яковлевского рудника при ведении горных работ под защитным перекрытием / О.В. Трушко, A.B. Стрелецкий // Записки Горного института. - 2012. - Т. 199. -С. 60 - 63.
12. Синякин К.Г. Оценка вертикальных смещений рудного массива при ведении горно-строительных работ по созданию защитной потолочины / К.Г. Синякин // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. Сер. «Науки о земле». - 2009. - Вып. 4. - С. 173 - 176.
