CC BY
43
УДК 622.01
Немчин Николай Павлович Nikolai Nemchin
Терентьев Павел Юрьевич Pavel Terentyev
ОЦЕНКА ДАВЛЕНИЯ НА КРЕПЬ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ «ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ В ОДИНОЧНЫХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ-3»
THE ESTIMATION OF PRESSURE ON SHORING WITH THE AID OF A COMPUTER PROGRAM «ROCK PRESSURE AT HORIZONTAL SINGLE EXCAVATION-3»
Предложен полуэмпирический метод расчёта с учетом влияния буровзрывных работ. Проведено сравнение расчётного и реального состояний крепи существующих выработок для ОАО «Ново-Широ-кинский рудник». На основании сравнения определены наибольшее перемещение, при котором крепь вступает в работу, и коэффициент перегрузки. Согласно расчётам, дан прогноз на строящуюся выработку ОАО «Ново-Широкинский рудник»
Ключевые слова: буровзрывные работы, горное давление, запредельная зона, горизонтальная выработка, давление на крепь
A semi-empirical method of calculation with the influence of blasting is proposed. The estimated calculated state and the actual state of shoring of existing horizontal excavations of Public Company «Novo-Shi-rokinsky mine» were compared. The largest displacement is determined in which shoring starts working. The overload factor is based on this comparison. On the basis of calculations the forecast for a building stage excavation of Public Company «Novo-Shirokinsky mine» is given
Key words: drilling and blasting operations, rock pressure, area of plastic deformations, horizontal excavation, pressure at the shoring
Программа предназначена для определения давления на крепь в зависимости от перемещения контура выработки с учетом проведения буровзрывных работ. Математический аппарат программы реализован на основе результатов исследований из [ 1 ]. Опубликованная ранее программа «Горное давление в одиночных горизонтальных выработках-1а» [2] не учитывает влияние буровзрывных работ.
Неоднородность горных пород, возникающая при проведении буровзрывных работ, проявляется в зависимости от модуля Юнга и предела прочности на сжатие от радиуса [3].
Данные для капитальных и подготовительных выработок ОАО «Ново-Широкинский рудник» взяты из [4]. Для получения последних в [4] использовались сведения из [5-9]. Также в [4] приведены несущая способность крепи и ее реальное состояние, что позволяет ориентировочно судить о горном давлении. Несущая способность крепи определялась по методике В.К. Шехурдина [8].
Расчетные параметры для описания горного давления. На рис. 1 изображено главное окно ввода входных данных программы «Горное давление в одиночных горизонтальных выработках 3» [10].
Входные данные Вышшшшиьк
(я;-:)-■:>■.! у;01 ;ы:, град. (в кровле выработки 90) Пре^опиипо шаисиис г,тип™топиипгп ^^ объёмного расширения в массиве 0,12 (примерно 0.12)
Площадь, кв. м. 8,6 Ширина выработки м. 4 753
Предельное перемещение контура _„ выработки, см
Высота выработки м. 4 78 Расстояние между оконтуривающими шпурами, мм. Коэффициенты запаса 1) Коэффициент перегрузки, увеличивающий естественное давление в 1,5 массиве (1<кр<2); КО:)фф[1Л11е-" У:?«!' ПЧ1:)а о ли параметр, от которого зависит снижение В,5 прочности в процессе разрыхления (0<ки<1), 5.1 К11:)ффИ.1И!!" ;|И -;1ИИ'--ш: и ри ,, .(->:ип; "'оро/1 5 кро^го ;кс-> 1,8) '
Плотность вмещающих выработку "0002 -, м3 """
Или глубина заложения выработки м (И > 75), или естественное давление, 1 э6 МПа (я < 75)
, град., входящий в 37 дилатансионное соотношение Коэфициент длительной прочности 1
" : = :- ~;:■"--:;- = , % I
, град., входящий в условие 37 прочности , 1...3)
Предел прочности на сжатие (лабораторного образца), МПа Наибольшее перемещение , при котором ю кре"=. "0Г-0С_=.-0 5С"У"ае_ В ря00"У, см
Несущая способность крепи Рн, МПа 0
ослабления массива ® без учета буровзрывных работ -
Ос учетом буровзрывных работ ^ Рассчитать
Коэффициент Пуассона д 253 (лабораторного образца) В загрузить пример... сохранить пример
Коэффициент условия работы о,35 крепи
| - значения определены ориентировочно с применением теоретических рассуждений
- значения определены из сравнения результатов расчета и натурных наблюдений ] - значения определены экспериментально
Рис. 1. Входные данные для выработки № 4 (из табл. 1)
Далее приводится комментарий к техническим и физико-механическим параметрам, принятым как входные данные в программе и показанным на рис. 1.
Предельное значение относительного объемного расширения в приконтурной зоне массива для расчёта горного давления выработок Ново-Широкинского рудника ориентировочно принято 0,12. При этом учтено, что разрыхление осуществляется в стеснённых условиях.
При расчетах использовались различные значения коэффициента перегрузки, влияющего на увеличение естественного давления в массиве пород. Использование коэффициента перегрузки связано с неточностью в определении естественного давления, отклонением принимаемой ма-
тематической модели от реальной и ориентировочным характером некоторых параметров.
Наибольшее перемещение, при котором крепь полностью вступает в работу (Щ), зависит от качества и физико-механических свойств закладки, способа проведения выработки, естественного давления, податливости крепи и др. При этом перемещении отпор крепи становится достаточным для прекращения увеличения запредельной зоны.
Коэффициент ^ влияет на снижение прочности в процессе разрыхления и принят нами ориентировочно равным 0,5.
Значение коэффициента динамичности в сопротивлении материалов при ударе зависит от того, с какой высоты падает
груз. Минимальное значение этого коэффициента равно двум при высоте падения, равной нулю. Мы считаем, что вывал пород обычно происходит в стеснённых условиях и при высоте падения, близкой к нулю, поэтому коэффициент динамичности принят равным двум. В случае дизъюнктивных нарушений значение коэффициента динамичности может быть значительно большим. Коэффициент динамичности используется для определения давления на крепь от обрушенных пород Ррас по формуле
РТ = кд * У * & - Г.), (1)
где кд— коэффициент динамичности;
га— радиус выработки, принятый равным полуширине выработки, м;
гг— внешний радиус границы запредельной зоны, м;
Г — удельный вес пород вблизи выработки, кН/м3.
Коэффициент длительной прочности учитывает изменение предела прочности на сжатие в массиве по истечении времени,
так что расчетное значение определялось по соответствующей формуле из [7].
Коэффициент условий работы крепи влияет на конечные результаты в расчетах давления на внутреннюю поверхность вы-
р рас
работки P =- и давления, в случае обру-
ррас
шения пород Po6 = , гДе Р0рбас определено
ШУ
ранее формулой (1).
Углы внутреннего трения, входящие в дилатансионное соотношение и в условие прочности, определялись в соответствии с монографией [11].
На основании расчетов определяются значения возможного максимального (P ) и минимального (P ) давлений на
v mas' v min'
крепь со стороны кровли. Методики расчета приведены на рис. 2 и 3. По абсциссе отложено перемещение контура выработки Ua. За P принимается точка, соответс-
min 1 ?
твующая пересечению графиков P и Роб (на рис. 2 равно 65 кПа).
Я 1201 #115 ¿110 | 105 | 100
1 95 f эо
i S5
fr во
и
в 75
| 70
g 65
I SO f55
5 50 Sj. 45
I 40
$ 35
J 311
l 25
% 20
I 15
5 io
111.90
53-
| г-б.-эо |
1 0,00
ВО,71
1 0,00 -
0,6B
0,76
1,09
Перемещение контура выработки (Ua), см
1,63
. Давление на контуре выработки -Давление пород в случае их обрушения, в пределах .■запредельной .зоны ■ Несущая способность крепи
Рис. 2. График результатов расчёта для выработки № 4 (из табл. 1)
В случае, изображённом на рис. 2, принимается значение P = Р ^ в точке,
1 max об
где P становится равным нулю, поскольку в этой точке прекращается увеличение размеров неупругой зоны. Соответственно P
max
= 80,71 кПа. Из рисунка видно, что несущая способность крепи Рн = 110 кПа больше максимального значения давления. Это означает, что крепь не разрушена.
4,3В 7,60
Перемниение ко-нтура ЕЬфа&откн(Са, см)
> Давление на контуре выработки
»Давление пород в случае их обрушения, в пределах запредельной зоны Наибольшее перемещение,при котором крепь полностью встлтглет в работу
— Несущая способность крепи
Рис. 3. График результатов расчёта для выработки № 10 (из табл. 1)
Во втором случае (рис. 3) значение давления P на контуре выработки не пересекает нулевое. При таком варианте за P принимается значение Р ^ в точке, где
max 1 об 7
перемещение Ua = Ua. Для рассматриваемого примера видно, что отпор крепи для прекращения роста неупругой зоны должен достигать 75 кПа. В соответствии с изложенным P = 170 кПа и P (значение, со-
max min v 7
ответствующее пересечению графиков P и Роб) равно 130 кПа. Из рисунка видно, что несущая способность крепи Рн = 100 кПа. Следовательно, крепь разрушена. Сравнение результатов расчета и натурных наблюдений приведено в таблице.
Наибольшее перемещение, при котором крепь полностью вступает в работу — Ua. При Ua отпор крепи становится до-
статочным для прекращения увеличения запредельной зоны.
Коэффициент перегрузки и и* могут меняться в зависимости от условий месторождения. Их следует подобрать таким образом, чтобы удовлетворительно описать наблюдения над горными выработками. В этом смысле предлагаемый метод расчёта является полуэмпирическим.
Для условий ОАО «Ново-Широкин-ский рудник» определены: и =10 см; коэффициент перегрузки, значение которого лежит между 1,8 и 2,1, что подтверждается данными таблицы.
Результаты применены к прогнозу проектируемой выработки (выработка № 15 из таблицы), они показывают, что крепь будет разрушена.
Сравнение результатов расчета и натурных наблюдений для выработок ОАО «НовоШирокинский рудник»
№ п/п Наименование выработок Коэф. перегрузки Pmin кПа Ртах, кПа Рн, кПа Неупругая зона (расчёт) Состояние крепи (реальное) Состояние крепи (расчёт) Примечание
Капитальные выработки
1 Гор. 933, штольня 1,8 0 0 140 Не образуется Не разрушена Не разрушена Конструкция крепи не экономична
2,1
2 1-й гор.850 1,8 0 0 114 Не образуется Не разрушена Не разрушена Конструкция крепи не экономична
2,1 9,6 23,63 Образуется
3 2-й гор. 800 1,8 17,4 24,82 113 Образуется Не разрушена Не разрушена Конструкция крепи не экономична
2,1 20,8 24,82
4 3-й гор. 750 1,8 65,1 80,71 110 Образуется Не разрушена Не разрушена
2,1 81,5 107,62
5 1-й гор. 850, Руд. двор 1,8 0 0 252 Не образуется Не разрушена Не разрушена Конструкция крепи не экономична
2,1 13 25,50
6 2-х путевой квершлаг 1,8 3,8 29,23 110 Образуется Не разрушена Не разрушена Конструкция крепи не экономична
2,1 18 29,23
7 Околоствол, двор 1,8 15,2 34,20 252 Образуется Не разрушена Не разрушена Конструкция крепи не экономична
2,1 23,4 34,20
8 Гор.800. Вент, квершлаг ВШТ 1,8 23,8 30,70 113 Образуется Не разрушена Не разрушена Конструкция крепи не экономична
2,1 26,3 30,70
9 3-й гор. 750. Руд. двор 1,8 145,2 258,7 252 Образуется Не разрушена Может быть разрушение Разрушение крепи маловероятно
2,1 165,5 243,9 Не разрушена
10 Квершлаг № 1, гор. 750 1,8 129,6 166,9 100 Образуется Разрушена Разрушена
2,1 138,6 159,7
11 Трансп. квершлаг (вост.) 1,8 116,7 157,1 100 Образуется Разрушена Разрушена
2,1 126,1 145,9
Подготовительные выработки
12 1-й гор. 850. Штрек 5-го рудного тела 1,8 20,2 83,94 25,2 Образуется Разрушена Может быть разрушение Крепь близка к разрушению
2,1 26,1 80,5 Разрушена
13 2-й гор. 800. штрек, кольцевой 7-го рудного тела 1,8 39,2 84,01 25,5 Образуется Разрушена Разрушена
2,1 41,6 81,2
14 Камера ЦПП 1,8 55,6 96,2 252 Образуется Не разрушена Не разрушена Крепь не экономична
2.1 60.5 92.2
Ст эоящиеся вы работки
15 4-й гор. 670 (в проекте) 1,8 137,6 184,1 110 Образуется В проекте Будет разрушение
2,1 151,1 174,5
Совпадение результатов расчёта с натурными наблюдениями означает, что программа может эффективно использоваться для прогноза горного давления в строящихся одиночных горизонтальных выработках рассматриваемого месторождения.
Метод, предложенный в статье, может применяться также для других месторождений при условии проведения соответствующих натурных наблюдений и экспериментов.
Таким образом, создана программа для ЭВМ [10] на языке высокого уровня в
среде Delphi 7, что позволяет осуществить быстрый перебор множества вариантов расчёта горного давления с целью подбора указанных ранее коэффициентов.
Предложен полуэмпирический метод расчёта с учетом влияния буровзрывных работ на основе численного метода, разработанного авторами ранее.
Этот метод успешно апробирован на данных конкретного месторождения.
Литература
1. Немчин Н.П., Терентьев П.Ю. Расчет горного давления в одиночных горизонтальных выработках, проведенных буровзрывным способом // Кулагинские чтения: матер. XI Междунар. науч.-практ. конф. Чита: ЗабГУ, 2011. Ч. III. С. 55 -57.
2. Немчин Н.П., Костырский В.С. Горное давление в одиночных горизонтальных выработках—1а.: программа для ЭВМ, свидетельство о государственной регистрации № 2011611751. Правообладатель ФГБОУ ВПО ЗабГУ. Зарегистрирована 16 марта 2011 г. в реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности.
3. Баклашов И.В. Геомеханика. Основы геомеханики. В 2 т. М.: МГТУ, 2004. Т. 1. 208 с.
4. Немчин Н.П., Жувак А.С. Геомеханическая характеристика капитальных и подготовительных выработок ОАО Ново-Широкинского рудника как основа для тестирования методов расчета давления на крепь // Аспирант: труды молодых ученых, аспирантов и студентов: приложение к журналу «Вестник Читинского государственного университета». 2011. № 2 (10). С. 106-114.
5. Афанасьев А.Д., Райковский П.Н., Сосновский Л.И. Временные методические указания по креплению и поддержанию капитальных, подготовительных и нарезных выработок на Ново-Широкинском руднике. Иркутск: ИрГТУ, 2008. 110 с.
6. Афанасьев А.Д., Райковский П.Н., Сосновский Л.И. Временные методические указания по управлению геомеханическими процессами и определению параметров конструктивных элементов системы разработки на Ново-Широкинском руднике. Иркутск: ИрГТУ, 2008. 64 с.
7. Шехурдин В.К., Несмотряев В.И., Федоренко П.И. Горное дело. М.: ОАО Недра, 1987. 430 с.
8. Шехурдин В.К. Задачник по горным работам, проведению и креплению горных выработок. М: ОАО Недра, 1985. 240 с.
9. Лисихин В.Г., Ермоленко Е.А., Соболев А.И. Технология проведения горизонтальных и наклонных горных выработок. Чита: ЧитГУ, 2005. 95 с.
10. Немчин Н.П., Терентьев П.Ю. Горное давление в одиночных горизонтальных выработ-ках-3: программа для ЭВМ, свидетельство о государственной регистрации № 2012616033. Правообладатель ФГБОУ ВПО ЗабГУ. Зарегистрирована 2 июля 2012 г. в реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности.
11. Немчин Н.П. Применение нелинейного программирования в технике и геомеханике: монография. Чита: ЧитГУ, 2009. 202 с.
Коротко об авторах_
Немчин Н.П., канд. техн. наук, доцент, Забайкальский государственный университет (ЗабГУ) nemchin_np@mail.ru
Научные интересы: применение численных методов в геомеханике
_ Briefly about the authors
N. Nemchin, Candidate of Technical Sciences, associate professor, Zabaikalsky State University
Scientific interests: aapplication of numerical methods in geomechanics
Терентьев П.Ю., аспирант, Забайкальский государственный университет (ЗабГУ) stalkertok@gmail.com
Научные интересы: горное давление в одиночных подземных выработках
P. Terentyev, postgraduate student, Zabaikalsky State University
Scientific interests: rock pressure in isolated underground
