Обоснование геомеханических параметров при разработке богатых железных руд Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 15

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2001” М0СКВА,яМГГУ,я29яянваряя-я2яфевраляя2001я-.

© В.Н. Аллилуев, 2001

УЛК 622.02:531:622.341.1

В.Н. Аллилуев

ОБОСНОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ БОГАТЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ РУЛ

При разработке богатых железных руд на Яковлевском месторождении КМА наиболее остро стоят вопросы по управлению горным давлением: оценке напряженного состояния рудного массива, устойчивости слоевых и нарезных выработок, выбору рациональных и безопасных параметров очистных камер, определению направления отработки, влиянию применения закладки выработанного пространства.

Прогноз степени возможного разрушения горных пород осуществляется сопоставлением напряжений на контуре сечения выработки с прочностью горных пород. В упругой модели критерий устойчивости для хрупких пород

дИк< бс, (1)

где к3 - коэффициент концентрации напряжений; вс - предел прочности на одноосное сжатие; д - удельный вес пород; Н -глубина.

Для горных пород, обладающих пластическими свойствами, устойчивость в обнажении повышается, что учитывается коэффициентом повышения устойчивости к3 [1]. Поскольку эти критерии не учитывают форму и размеры горных выработок, Н.С. Булычевым и Н.Н. Фотиевой предложен метод, по

которому рассматриваются напряжения и прочность пород не в одной точке на контуре поперечного сечения выработок, а во всей области влияния выработки. Сопоставляется тензор напряжений в области влияния выработки с условием прочности пластической модели Мора-Кулона. В результате строится граница зоны разрушения (неупругих деформаций), по размерам и конфигурации которой судят о степени устойчивости пород, например, в соответствии с классификацией устойчивости [1].

Используя этот метод оценки устойчивости для каждого из компонентов напряжений, деформаций, смещений построено их распределение вокруг выработок в изолиниях. Напряжения изображались в долях д Н, деформации в долях 10-3, смещения в мм. В качестве критериев разрушения ис-

пользовались растягивающие напряжения в сравнении с

пределом прочности на растяжение пород, критерий разрушения Мора-

Кулона [2], критерий Треска [3]. Если конфигурация зон разрушения близка к эллиптической или простым кривым свода обрушения, то надежнее пользоваться критерием устойчивости - высота зоны разрушения. При неравномерной зоне разрушения и сложной ее конфигурации более показателен критерий площадь зоны разрушения или отношение площади зоны разрушения к площади выработки.

Изучение протекания гео-механических процессов в рудном массиве проводилось с применением математического моделирования его напряженно-деформированного состояния (НДС). При численном моделировании НДС методом конечных элементов вокруг одиночной камеры и проверке по критериям прочности Треска, Мора-Кулона, растягивающим напряжениям были рассчитаны величины смещений и параметры зон возможного разрушения. Моделировались условия Яковлевского месторождения: рудный массив представленный слабыми рыхлыми и полурых-лыми рудами, очистные камеры различных размеров. Высота зон возможного разрушения по различным критериям изменяется от 0,4 м до 1,6 м (рис. 1). Оценка степени устойчивости незакрепленных камер при обнажении осуществлена по величине максимальных смеще-

Рис. 1. Зоны возможного разрушения кровли очистной выработки (рыхлые руды)

Рис. 2. Зависимость площади области возможного разрушения по растягивающим напряжениям от площади выработки

Рис. 3. Зависимость площади зоны возможного разрушения по сжимающим напряжениям от площади выработки

Рис. 4. Зависимость области возможного разрушения по сдвигающим напряжениям от площади выработки

Рис. 5. Распределение вертикальных напряжений вокруг Г-образной камеры

ний и высоте зон возможного

разрушения. При оценке по максимальным смещениям степень устойчивости соответствует категории пород средней устойчивости, которая характеризуется вывалами из кровли и локальными зонами разрушения.

При оценке по высоте зон возможного разрушения степень устойчивости соответствует категории неустойчивых пород, характеризующейся вывалами после обнажения и зонами разрушения, охватывающими большую часть сечения камеры. Из анализа рис. 1 видно, что даже выработки сечением 2x2 м могут оказаться неустойчивыми по одному из критериев (например, по растягивающим напряжениям). Следовательно, при отработке участка снизу вверх постоянно возможна угроза обрушения кровли очистного забоя, поэтому необходимо крепление без отставания от забоя. При оценке устойчивости забоя сечением 5x5 по всем трем критериям будут происходить обрушения.

По результатам компьютерного моделирования установлены закономерности изменения размеров (площади) зон

возможного разрушения от расположения и параметров очистных камер в рудном массиве, которые позволяют осуществлять прогноз устойчивости обнажений рудного массива и выбор эффективных технологических схем (рис. 2-4).

Поэтому предполагаемая на руднике отработка первоочередного участка слоями снизу вверх возможна либо при применении специальных мероприятий, либо заходками под защитой крепи. При отработке под крепью в этом случае возможен переход от заходок к лаве, например, очистными механизированными комплексами (типа ОКП и др.).

Осуществлено также моделирование НДС рудного массива вокруг очистной выработки Г-образной формы (системы разработки со сдвоенной по высоте лавой) с опережающим верхним уступом при слоевой выемке с закладкой выработанного пространства. В кровле очистной выработки расположено два слоя закладки. Определены закономерности распределения напряжений, деформаций и смещений вокруг очистной выработки, выделена зона неупругих деформаций. На рис. 5 представлена картина распределения вертикальных напряжений вокруг Г-образной очистной выработки в наиболее сложной ситуации. Из рисунка видно, что зоны повышенной концентрации напряжений приурочены к правому верхнему углу выработки и углу опи-рания вышележащего массива на породы лежачего бока. Именно в этом направлении развиты зоны пластических

деформаций и возможного

разрушения по сдвигающим (касательным) напряжениям. Это говорит о том, что в краевых областях необходимо предусмотреть зоны разгрузки, а работы надо будет начинать, возможно, с центральной части залежи. В кровле закладки и в забое возможны растягивающие напряжения (при двух верхних слоях). Следовательно, в почве предыдущих слоев должна быть уложена сетка и провибрирован нижний слой (технология по системе разработки это позволяет). Апробированное, применительно к условиям Яковлевского ме-

сторождения, программное обеспечение позволяет исследовать НДС для различных систем разработки, технологии и порядка ведения очистных работ [4].

Таким образом, компьютерное моделирование геоме-ханических процессов в рудном массиве для различных технологических схем селективной выемки высококачественных руд с закладкой выработанного пространства позволяет осуществить прогнозирование устойчивости очистных камер, установить направление и порядок отработки, подготовиться к проведе-

нию производственного эксперимента. Результаты моделирования использованы при подготовке проекта технологического регламента на проведение опытных работ по селективной выемке богатых железных руд на участке первоочередных добычи Яковлевского рудника. Для перехода к практической реализации выбора систем разработки и их параметров крайне необходим горный эксперимент по определению предельно-допустимых обнажений в осушенных (на первом этапе) рудах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений М.: Недра, 1989.- 270 с.

2. Виттке В. Механика скальных пород. - М.: Недра, 1990.- 439 с.

3. Теребушко О. И. Основы теории упругости и пластичности М.: Наука, 1984.- 320 с.

4. Tutanov S.K. Stats stress and deformation analysis by finite element method. Int. Journal of Mech. and Mining Sciences. Vol. 25, № 4, August, 1988.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------

________________________________________________________________________Q

Аллилуев Валерий Николаевич- ст. научный сотрудник, кандидат технических наук, ОАО «НИИКМА им. Л.Д. Шевякова.