CC BY
47
Оригинальная статья
УДК 622.261.52.001.57:622.831.3 © А.Ж. Имашев, А.М. Суимбаева, Ш.А. Абдибаитов, А.А. Мусин, С.Ю. Асан, 2020
Обоснование оптимальной формы сечения горных выработок в соответствии с рейтинговой классификацией
Р0!: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-6-4-9 -
ИМАШЕВ А.Ж.
Доктор PhD, заведующий кафедрой «Разработка месторождений полезных ископаемых» КарГТУ, 100027, г. Караганда, Республика Казахстан, е-mail: imashev_85@mail.ru
СУИМБАЕВА А.М.
Докторант специальности «Горное дело» КарГТУ, 100027, г. Караганда, Республика Казахстан, е-mail: aygerim_86@mail.ru
АБДИБАИТОВ Ш.А.
Канд. техн. наук,
доцент кафедры «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» Кыргызского государственного университета геологии, горного дела и освоения природных ресурсов имени академика У. Асаналиева, 720001, г. Бишкек, Кыргызская Республика, е-mail: kaf_razrabotka@mail.ru
МУСИН А.А.
Докторант специальности «Горное дело» КарГТУ, 100027, г. Караганда, Республика Казахстан, е-mail: musin_aibek@mail.ru
АСАН С.Ю.
Докторант специальности «Горное дело» КарГТУ, 100027, г. Караганда, Республика Казахстан, е-mail: asansu@mail.ru
В статье приведены результаты геотехнологических исследований в соответствии с рейтинговой классификацией, по определению оптимальной формы сечения горных выработок в условиях Акжальского месторождения. При подготовке исходных данных численного моделирования переход от прочности образца горных пород к прочности массива горных пород произведен на основе геологического индекса прочности СБ!. Возможные зоны неупругих деформаций определялись с учетом влияния качества ведения буровзрывных работ. Выполнен анализ результатов численного моделирования и определена наиболее оптимальная форма поперечного сечения горных выработок. Ключевые слова: прочность массива горных пород, рейтинговые классификации, форма поперечного сечения, напряженно-деформированное состояние, геологический индекс прочности GSI.
Для цитирования: Обоснование оптимальной формы сечения горных выработок в соответствии с рейтинговой классификацией / А.Ж. Имашев, А.М. Суимбаева, Ш.А. Абдибаитов и др. // Уголь. 2020. № 6. С. 4-9. 00!: 10.18796/0041-5790-2020-6-4-9.
ВВЕДЕНИЕ
При разработке месторождений комбинированным способом приконтурная часть массива подвергается многократному воздействию нагрузок от открытых и подземных работ. Такая система разработки приводит к осложнению состояния массива под влиянием различных факторов. Отработка подкарьерных и прибортовых запасов связана с большими трудностями. Область сопряжения бортов и дна карьера находится в зоне повышенной концентрации напряжения.
В настоящее время рудник «Акжал» ведет отработку запасов свинцово-цинковых руд открытым и подземным способами системой подэтажного обрушения. В дальнейшем, согласно проекту промышленной разработки месторождения «Акжал», планируется полный переход на подземную отработку запасов до глубины 630 м. Поэтому большой научный и практический интерес представляют задачи, связанные с обеспечением устойчивости подготовительных и капитальных выработок при отработке под-
карьерных и прибортовых запасов. Одним из основных параметров, обеспечивающих повышение устойчивости и срок службы горных выработок, является оптимальная форма сечения [1 ]. В этой связи возникает необходимость проведения геотехнологических исследований по определению оптимальной формы сечения подготовительных и капитальных горных выработок рудника «Акжал» в зоне взаимного влияния карьера, проходческих и очистных подземных горных работ. Таким образом, возможность предсказать изменение напряженно-деформированного состояния массивов породы в окрестностях выработки, а тем более управлять ими, создавая оптимальные формы сечения и виды укрепления, может снизить вероятность разрушения горной выработки и повысить ее надежность.
В работах M. Kawa, A. Rozanski, M. Sobotka [2, 3], Ren G. [4] и других авторов указано, что управление состоянием приконтурного массива возможно за счет правильного выбора параметров свода и сечений горных выработок в соответствии с особенностями напряженного состояния горного массива.
МЕТОДИКА
Для прогнозной оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород широко используются методы численного моделирования, которые позволяют обоснованно подходить к решению таких задач, как определение и выбор рациональной формы сечения горных выработок. Достоверность результата моделирования зачастую зависит от точности вводимых исходных данных. Важными составляющими исходных данных являются прочность пород на одноосное сжатие (стсж) и показатель геологического индекса прочности GSI (Geological Strength Index).
В целях определения предела прочности при одноосном сжатии (стсж) проведены лабораторные испытания образцов горных пород Акжальского месторождения в лаборатории «Механика горных пород» Назарбаев Университета и в испытательном центре ТОО «Караганда Техно-Сервис» [5]. В результате проведения лабораторных испытаний определено среднее значение предела прочности на сжатие, которое составляет 76,24 МПа (рис. 1).
В 1994 г. Э. Хоек предложил метод определения прочности массива горных пород, основанный на оценке блочности массива и состояния поверхностей нарушений (трещин). Развитие этого метода привело к созданию новой классификации, основой которой является геологический индекс прочности GSI (Geological Strength Index) [6].
Классификация все время совершенствуется в зависимости от решения задач, вытекающих из практики проектирования. Так, в одном из последних исследований Хоека и Брауна [7] предложено определять индекс GSI следующим образом:
JCond=J„ = J + J + J + J + J
(2)
GSI = 1,5- JCond^ +
RQD
(1)
где JCond89 - параметр рейтинговой классификации трещиноватости горных пород в соответствии с методикой Международного общества по механике горных пород (International Society for Rock Mechanics - ISRM), RQD -показатель качества горной породы.
В результате шахтных исследований на руднике «Акжал» определены показатели рейтинга, слагающие ЗСопй%9 (3А ), согласно методике Международного общества по механике горных пород [8].
В 1964 г. Д. Диром [9] был введен индекс качества породы RQD в качестве показателя количественной оценки качества массива.
Показатель RQD для условий Акжальского месторождения был определен согласно методике [8]. Общая длина керна составила 150 см, диаметр керна - 54 см. Процедура определения значения RQD проводилась согласно рис.2.
При определении показателя RQD массива горных пород Акжальского месторождения установлено среднее значение, которое составило 80,7, что по качеству горной породы характеризуется как «крепкий».
081 = 1,53сопй9 + 0,5RQD = 1,5-16 + 0,5-80 = 64.
Таким образом, в результате исследований [10] значение геологического индекса прочности 0Б1 для условий Акжальского месторождения составило 64.
Эксперименты по соотношению горных пород по Пуассону довольно редки. Из-за отсутствия огромного количества данных на месте не так много предложений для расчета значения коэффициента Пуассона в системе классификации горных массивов. Aydan и др. [11] проанализировали результаты нескольких испытаний по определению прочности на одноосное сжатие и
4
41
42
43
44
45
Прочностные показатели по критерию Hoek-Brown
Объем, Предел Влияние Предел Критерий
Тип GSI прочности прочности Hoek-Brown Коэффициент Пуассона Em МПа
породы вес, МН/м3 в образце, sigci, МПа качества БВР в массиве, sigcm, МПа mb s a
Массивные 0,027 64 76,24 D = 0 18,32 2,764 0,018 0,502 0,25 32550,2
известняки D = 0,8 11,47 1,173 0,004 0,502 0,27 11499,5
обнаружили, что коэффициент Пуассона уменьшается с увеличением значения прочности на одноосное сжатие. Согласно лабораторным наблюдениям, они предложили следующую форму для массива горных пород:
Зи=0,25(1 + е-*-/4) (3)
где <зст - прочность на одноосное сжатие массива горных пород.
В результате обработки данных шахтных исследований подготовлены следующие исходные данные для численного анализа напряженно-деформированного состояния массива горных пород (см. таблицу).
РЕЗУЛЬТАТЫ
Для численного моделирования и обоснования оптимальной формы поперечного сечения горных выработок в условиях Акжальского месторождения выбрано несколько форм сечения, которые наиболее применяемы на рудных месторождениях Казахстана. Численное моделирование проведено для таких форм сечения выработок, как прямоугольная, прямоугольная с закруглениями в плечах и арочная со следующими параметрами: ширина - 4 м, высота - 3,6 м, расположенных на глубине 100, 200, 300, 400, 500 м от земной поверхности с учетом влияния качества буровзрывных работ (рис. 3).
Анализ картины распределения изолиний определяется по фактору прочности (Strength Factor), где в прямоугольной форме сечения наблюдается неравномерное распределение запаса прочности по контуру выработки. При моделировании без учета воздействия БВР на глубинах заложения выработки от 100 до 500 м зона разрушения в кровле изменяется от 0,53 до 1,3 м, в боках - от 0,42 до 1,17 м соответственно (см. рис. 3, а). При моделировании НДС массива с учетом влияния БВР в прямоугольной форме сечения выработки в боках и кровле наблюдаются большие возможные зоны разрушения и прогнозируется обрушение под собственным весом по причине структурного ослабления массива, слабого сцепления пород между собой из-за влияния взрывных работ, и в дальнейшем возможны обрушения горной массы, указанные на рис. 3, б. Также прогнозируется отсутствие формирования устойчивого свода естественного равновесия, что ведет к пошаговому обрушению (куполообразованию) в кровле с переходом на бока.
Прямоугольная форма сечения выработки с закруглениями в плечах, так же, как и в предыдущей форме, имеет равномерное перераспределение нагрузок по кровле и бокам выработки. При моделировании НДС массива без учета влияния БВР на глубинах заложения выработки от 100 до 500 м зона разрушения в кровле изменяется от 0,23 до 0,97 м, в боках - от 0,29 до 1,05 м соответствен-
Рис. 2. Определение показателяRQD: а - порядок измерения
и расчетаRQD; б - определение показателя RQD породы
Акжальского месторождения
Fig. 2. Definition of the RQD indicator: а - the procedure
for measuring and calculating RQD; b - determination
of the RQD indicator of the Akzhal field rock
но (см. рис. 3, а). С учетом влияния взрывных работ величина зоны разрушения пород увеличивается в кровле в среднем на 0,55 м и в боках - на 0,62 м (см. рис. 3, б). Прогнозируется обрушение в кровле и боках выработки под собственным весом с частичным перераспределением нагрузок в плечах. Также прогнозируется, что после обрушения кровля выработки может обрести свод естественного равновесия и находиться в устойчивом состоянии длительное время.
В арочной форме сечения выработки наблюдаются незначительные деформации по кровле и перераспределение нагрузки на бока выработки. Из рис. 3 следует, что данная форма сечения выработки отличается от преды-
а
б
111
Рис. 3. Размеры зон разрушения при прямоугольной форме сечения выработки: а - влияние БВР не учитывается, параметр D = 0; б - c учетом влияния БВР, параметр D = 0,8 Fig. 3. The size of the destruction zones with a rectangular shape of the cross section of the mine: a - the effect of the blasting and deformation is not taken into account, parameter D = 0; b - taking into account the influence of the the blasting and deformation, the parameter D = 0.8
о
a.
^
d о a.
о
1,6 1,4 1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
Размеры зон разрушения в кровле без учета влияния взрывных работ
100
200
300
400
500
Прямоугольная
Глубина заложения выработки, м
*■ - Прямоуг. с закруглениями в плечах Арочная
о .
к d о .
о
3
у .
1,6 1,4 1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2
Размеры зон разрушения в кровле с учетом влияния взрывных работ
Прямоугольная
2 3 4 5
Глубина заложения выработки, м
й- Прямоуг. с закруглениями в плечах Арочная
Рис. 4. Зависимости размеров зон разрушения в кровле выработки от глубины заложения Fig. 4. The dependence of the size of the zones of destruction in the roof of the mine on the depth
0
дущих. Отличие заключается в том, что зона разрушения в кровле, по сравнению с прямоугольной формой, снижается в три раза; по сравнению с прямоугольной формой сечения с закруглениями в плечах - более чем в два раза, то есть в арочной форме сечения по отношению к предыдущим формам наблюдаются увеличение запаса прочности и уменьшение объема обрушения в кровле и в боках, а также равномерное перераспределение нагрузки. В случае относительно длительного времени стояния обнажения кровли возможны частичные обрушения и зату-
хание обрушения в связи с перераспределением нагрузки на бока выработки и обретением естественного равновесного состояния.
В результате моделирования были определены возможные зоны разрушений вокруг выработок, результаты которых приведены на рис. 4.
Анализируя результаты численного моделирования форм сечения выработок в условиях Акжальского месторождения установлено, что арочная форма выработки является наиболее оптимальной формой сечения, так как
зона разрушения, относительно других форм, является наименьшей и наблюдается увеличение запаса прочности с уменьшением объема обрушения в кровле и в боках. Не рекомендуется применять для данной зоны формы прямоугольные и прямоугольные с закруглениями в плечах, так как они понижают запас прочности горных пород по контуру выработки и не обеспечивают безопасность ведения горных работ в выработках.
ВЫВОДЫ
Проведение геотехнологических исследований на основе рейтинговых классификаций позволяет получить достоверные прочностные характеристики горных пород необходимые для численного моделирования геомеханических процессов.
Геологический индекс прочности пород позволяет осуществлять корректный переход от прочности образца горных пород к прочности массива горных пород.
Правильный выбор формы поперечного сечения выработки влияет на устойчивое состояние приконтурной части массива горных пород.
Результаты численного моделирования показали, что качество ведения буровзрывных работ имеет значительное влияние на размеры возможных зон неупругих деформаций и устойчивость горных пород вокруг выработки.
Высокие значения коэффициента запаса прочности пород приконтурной части позволяют минимизировать расходы на крепление и поддержание горных выработок.
Для условий рудника «Акжал» наиболее оптимальной формой сечения выработки является арочная, при которой возможные зоны неупругих деформаций имеют равномерно распределенную нагрузку по всему контуру выработки.
Список литературы
1. Барышников В.Д., Гахова Л.Н. Обоснование формы сечения нарезных выработок при отработке подкарьер-
ных запасов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2004. № 1. С. 191-194.
2. Kawa M., Rozanski A., Sobotka M. A verification of shape optimization procedures of tunnel underground excavations // Gornictwo i Geoinzynieria. 2011. Book 2. Р. 535-541 (in Polish).
3. Rozanski А., Sobotka M. A procedure of underground excavations shape optimization // Gornictwo i Geoinzynieria. 2009. Book 1. Р. 519-529 (in Polish).
4. Underground excavation shape optimization using an evolutionary procedure / G. Ren, J.V. Smith, J.W. Tang, Y.M. Xie // Computers and Geotechnics. 2005. N 32. Р. 122-132.
5. Лабораторные исследования прочности горных пород Акжальского месторождения / А.Ж. Имашев, А.М. Су-имбаева, Ж.М. Батыршаева и др. / Труды международной научно-практической конференции «Интеграция науки, образования и производства - основа реализации Плана нации». г. Караганда, 2019. С. 134-137.
6. Hoek E. Strength of rock and rock masses // ISRM News Journal. 1994. N 2(2). Р. 4-16.
7. Hoek E., Carter T.G., Diederichs M.S. Quantification of the geological strength index chart / Proceedings of the 47th US Rock Mechanics "Geomechanics Symposium". San Francisco, USA, 2013. Р. 1-8.
8. The ISRM suggested methods for rock characterization, testing and monitoring: 2007-2014 / Edited by R. Ulusay. Springer, 2015.
9. Deere D.U. Geological Considerations // Journal of Rock Mechanics in Engineering Practice. 1968. P. 1-20.
10. Research of possible zones of inelastic deformation of rock mass / A. Imashev, A. Suimbayeva, N. Zholmagambetov et al. // News of national academy of sciences of the Republic of Kazakhstan. 2018. N 2. Р. 177-183.
11. Tokashiki N., Aydan O. The stability assessment of overhanging Ryukyu limestone cliffs with an emphasis on the evaluation of tensile strength of rock mass // Doboku Gakkai Ronbunshuu. 2010. N 66(2). Р. 397-406.
UNDERGROUND MINING
Original Paper
UDC 622.261.52.001.57:622.831.3 © A.Zh. Imashev, A.M. Suimbayeva, Sh.A. Abdibaitov, A.A. Musin, S.Yu. Asan, 2020 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2020, № 6, pp. 4-9 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-6-4-9
Title
justification of the optimal cross-sectional shape of the mine workings in accordance with the rating classification
Authors
Imashev A.Zh.1, Suimbayeva A.M.1, Abdibaitov Sh.A.2, Musin A.A.', Asan S.Yu.1 ' Karaganda State Technical University, Karaganda, 100027, Republic of Kazakhstan
2 Asanaliev Kyrgyz State University of Geology, Mining and Natural Resources Development, Bishkek, 720001, Kyrgyz Republic
Authors' Information
Imashev A.Zh., doctoral PhD, Head of Mineral deposits development department, e-mail: imashev_85@mail.ru Suimbayeva A.M., doctoral student of the specialty "Mining", e-mail: aygerim_86@mail.ru
Abdibaitov Sh.A., PhD (Engineering), Associate Professor of Underground mining of mineral deposits department, e-mail: kaf_razrabotka@mail.ru
Musin A.A., doctoral student of the specialty "Mining", e-mail: musin_aibek@mail.ru
Asan S.Yu., doctoral student of the specialty"Mining", e-mail: asansu@mail.ru Abstract
The paper presents the results of geotechnological research, in accordance with the rating classification, to determine the optimal cross-sectional shape
of mine workings in the Akzhalsky field. In preparing the initial data of numerical modeling, the transition from the strength of the rock sample to the strength of the rock mass is based on the GSI geological strength index. Possible zones of inelastic deformation were determined taking into account the influence of the quality of drilling and blasting operations. The analysis of the results of numerical modeling is carried out and the most optimal cross-sectional shape of the mine workings is determined.
Keywords
Rock mass strength, Rating classifications, Cross-sectional shape, Stress-strain state, GSI geological strength index.
References
1. Baryshnikov V.D., Gakhova L.N. Obosnovaniye formy secheniya nareznykh vyrabotok pri otrabotke podkaryernykh zapasov [Substantiation of the cross-sectional shape of rifled workings during mining of quarry reserves]. Gorny Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten (nauchno-teknicheskiizhurnal) - Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal), 2004, No 1, pp. 191-194. (In Russ.).
2. Kawa M., Rozanski A. & Sobotka M. A verification of shape optimization procedures of tunnel underground excavations. Gornictwo i Geoinzynieria, 2011, Book 2, pp. 535-541 (in Polish).
3. Rozanski A. & Sobotka M. A procedure of underground excavations shape optimization. Gornictwo i Geoinzynieria, 2009, Book 1, pp. 519-529 (in Polish).
4. Ren G., Smith J.V., Tang J.W. & Xie Y.M. Underground excavation shape optimization using an evolutionary procedure. Computers and Geotechnics, 2005, No. 32, pp. 122-132.
5. Imashev A.Zh., Suimbaeva A.M., Batyrshaeva J.M. et al. Laboratornyye issledovaniya prochnosti gornykh porod Akzhalskogo mestorozhdeniya [Laboratory studies of rock strength of Akzhal field]. Proceedings of the in-
ternational scientific-practical conference"Integration of science, education and production - the basis for the implementation of the Plan of the nation". Karaganda, 2019, pp. 134-137. (In Russ.).
6. Hoek E. Strength of rock and rock masses. ISRM News Journal, 1994, No. 2 (2), pp. 4-16.
7. Hoek E., Carter T.G. & Diederichs M.S. Quantification of the geological strength index chart / Proceedings of the 47th US Rock Mechanics "Geome-chanics Symposium". San Francisco, USA, 2013, pp. 1-8.
8. The ISRM suggested methods for rock characterization, testing and monitoring: 2007-2014 / Edited by R. Ulusay. Springer, 2015.
9. Deere D.U. Geological Considerations. Journal of Rock Mechanics in Engineering Practice, 1968, pp. 1-20.
10. Imashev A., Suimbayeva A., Zholmagambetov N., Takhanov D. & Abdi-mutalip N. Research of possible zones of inelastic deformation of rock mass. News of national academy of sciences of the Republic of Kazakhstan, 2018, No. 2, pp. 177-183.
11. Tokashiki N. & Aydan O. The stability assessment of overhanging Ryukyu limestone cliffs with an emphasis on the evaluation of tensile strength of rock mass. Doboku GakkaiRonbunshuu, 2010, No. 66 (2), pp. 397-406.
For citation
Imashev A.Zh., Suimbayeva A.M., Abdibaitov Sh.A., Musin A.A. & Asan S.Yu. Justification of the optimal cross-sectional shape of the mine workings in accordance with the rating classification. Ugol' - Russian Coal Journal, 2020, No. 6, pp. 4-9. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2020-6-4-9.
Paper info
Received January 13,2020 Reviewed February 18,2020 Accepted March 23,2020
Горняки шахты «Усковская» ввели в эксплуатацию новую лаву
29 апреля 2020 г. на шахте «Усковская» Распадской угольной компании (управляет угольными активами ЕВРАЗа) запустили новую комплексно-механизированную лаву 50-24. Ее запасы составляют 1 млн 310 тыс. т коксующегося угля марки ГЖ.
При подготовке выемочного участка соблюдены все требования охраны труда и промышленной безопасности. С помощью купольной дегазации подготовлены 10 скважин, круглосуточно работает модульная дегазационная установка, которая удаляет из шахты метановоздушную смесь со скоростью 70-80 м3/мин. Для безопасного передвижения горняков организованы мостики и свободные проходы через ленточные конвейеры. В забое строго соблюдаются режимы проветривания и обеспыливания.
Добывать уголь шахтерам помогает современный механизированный комплекс. Ежемесячная нагрузка на забой составляет 250-260 тыс. т. Отработать запасы лавы горняки планируют за полгода. По прогнозам, запасы перспективного месторождения обеспечат предприятие работой до 2050 г.
На шахте, как и на других предприятиях Распадской угольной компании, принимают все меры профилактики и недопущения распространения СОУЮ-19. Горняки используют маски, респираторы и антисептики. С помощью тепловизоров и пирометров бесконтактно замеряется температура. В случае подозрения на заболевание сотрудники проходят дополнительное обследование.
ооо научно-производственное предприятие
«ЗАВОД МОДУЛЬНЫХ ДЕГАЗАЦИОННЫХ УСТАНОВОК»
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДЕГАЗАЦИИ И УТИЛИЗАЦИИ МЕТАНА
МЕТАН ПОД КОНТРОЛЕМ!
Россия www.zavodmdu.ru
г. новокузнецк info@zavodmdu.ru
шоссе северное, 8 тел.: +7 (3843) 991-991
