CC BY
36
© А.А. Исаченко, С.В. Риб, В.А. Волошин, В.Н. Фрянов, 2016
УДК 622.831
А.А. Исаченко, С.В. Риб, В.А. Волошин, В.Н. Фрянов
ОЦЕНКА ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА В ОКРЕСТНОСТИ УКЛОНОВ СБЛИЖЕННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧИСЛЕННОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Исследовано геомеханическое состояние углепородного массива в окрестности четырех уклонов сближенных пластов 1 и 2 с помощью численного моделирования методом конечных элементов. Использован авторский комплекс компьютерных программ CoalPillar, разработанный на кафедре геотехнологии СибГИУ и адаптирован к горно-геологическим и горнотехническим условиям одной из шахт Ерунаковского геолого-экономического района Кузбасса. Численное моделирование методом конечных элементов осуществлялось при двух вариантах природного поля напряжений вне зоны влияния горных выработок: гравитационное поле напряжений и геотектоническое поле напряжений. На устойчивость уклонов по нижнему пласту 1 существенно влияет верхний пласт 2, пласт 1 почти не влияет на пучение пород почвы уклонов по пласту 2. В боках выработок ожидается отжим угля, так как вертикальные напряжения в 1,2-1,5 раза превышают предел прочности угля при сжатии в натурных условиях. Предлагаемая методика позволит разработать соответствующие профилактические мероприятия и рекомендации для внесения в паспорт крепления выработок, что повысит безопасность горных работ. Ключевые слова: горный массив, уклоны, напряженно-деформированное состояние, численное моделирование, метод конечных элементов, комплекс программ, целик, зоны разрушения пород.
В настоящей статье изложены результаты исследований по оценке геомеханического состояния углепородного массива в окрестности четырех уклонов сближенных пластов 1 и 2 с помощью численного моделирования методом конечных элементов.
Объектом исследования являются процессы деформирования горных пород под влиянием взаимодействующих техногенных и природных напряжений в окрестности четырех уклонов на весьма сближенных угольных пластах 1 и 2 одной из шахт Ерунаковского геолого-экономического района Кузбасса.
Цель работы — обосновать рекомендации для обеспечения устойчивости горных выработок при взаимном влиянии элементов сложной системы «весьма сближенные пласты 1 и 2 и четыре охраняемые угольными целиками уклона».
Для достижения поставленной цели решены для условий весьма сближенных пластов 1 и 2 следующие задачи:
1) экспертная оценка пространственно-временного расположения уклонов;
2) разработка методики исследований и адаптация комплекса компьютерных программ Соа1РШаг к горно-геологическим и горнотехническим условиям шахты;
3) численное моделирование геомеханических процессов в углепородном массиве в окрестности уклонов;
4) обсуждение результатов моделирования и обоснование рекомендаций для обеспечения устойчивости уклонов.
Для моделирования приняты следующие условия. Угольные пласты 1 и 2 весьма сближенные. Мощность пород междупла-стья, представленная переслаиванием аргиллитов и алевролитов составляет 7,1 м. Породы кровли пласта 2 представлены алевролитом мелкозернистым сухим без расслоения, а породы почвы пласта 1 —алевролитом мелкозернистым. По результатам экспертной оценки устойчивости выработок следует ожидать интенсивное пучение пород почвы выработок по пласту 2 и разрушение пород в боках и кровле уклонов пласта 1.
Учитывая отсутствие результатов натурных измерений деформаций пород в окрестности уклонов в качестве основного при исследовании принят метод конечных элементов [1—5] с использованием авторских пакетов компьютерных программ, разработанных на кафедре геотехнологии СибГИУ [6—9].
Комплекс компьютерных программ Соа1РШаг был адаптирован к горно-геологическим и горнотехническим условиям шахты. В качестве исходных данных принята колонка по геологической скважине №16501. В геометрической модели (рис. 1) приняты следующие параметры: мощность пласта 1 равна 1,60 м; коэффициент крепости по шкале проф. Протодъя-конова равен 1,0; мощность угольного пласта 2 равна 2,55 м;
коэффициент крепости по шкале проф. Протодъяконова равен 1,0; мощность пород между пластами 1 и 2 составляет 7,1 м; коэффициент крепости пород по шкале проф. Протодъяконова равен 3,0.
Геометрическая модель представлена в виде вертикального разреза, перпендикулярного осям уклонов. Начало координат условной системы координат принято на пересечении кровли пласта 2 и левого бока вентиляционного уклона пласта 1 (рис. 1).
Размеры геометрической модели по простиранию приняты 480 м, глубина залегания пласта 2 составляет 270 м. Размеры модели по простиранию приняты с учетом возможного определения влияния очистного выработанного пространства выемочного столба на напряженно-деформированное состояние пород в окрестности уклонов.
Численное моделирование методом конечных элементов осуществлялось при двух вариантах природного поля напряжений вне зоны влияния горных выработок:
1) гравитационное поле напряжений;
2) геотектоническое поле напряжений.
На рис. 2 приведены результаты моделирования зоны разрушения пород в окрестности уклонов под влиянием гравитационного природного поля напряжений. Расчет координат границ зон разрушения проведен по трем теориям прочности: разно-модульной, Кулона-Мора и энергетической. Почти все теории показали одинаковое положение границ разрушения пород.
-150 -100 -50 0 50 100 150 ZOO ZS0 Расстояние от левого бокэ вентиляционного уклона пласта 45. м
Рис. 1. Схема дискретизации геометрической модели углепородного массива на треугольные конечные элементы
20 30 40 50 № 70 80 90 100 110 Расстояние о левого бока вентиляционного уклона пласта 45, м
Рис. 2. Зоны разрушения пород в окрестности уклонов по трем теориям прочности в гравитационном поле напряжений
Из графиков распределения границ разрушенных пород следует, что на устойчивость уклонов по пласту 1 существенно влияет пласт 2, так как высота свода разрушения пород в уклонах пласта 1 достигает кровли пласта 2. Пласт 1 почти не влияет на пучение пород почвы уклонов по пласту 2.
В геотектоническом поле напряжений при равенстве горизонтальных и вертикальных напряжений (гидростатическое поле напряжений) площадь зон разрушения пород в окрестности уклонов увеличивается, что приводит к снижению устойчивости выработок (рис. 3).
и-.)---.------ Вент.уклон лл.45
м \ Кон в.уклон ПЛ.4В 1 рэнсп уклон пл.4 5
Трансп.уклон пл.48
\ х \
о Пласт 4^
КО Пласт 45 -п д
1 - -V 1
Расстояние от левого Бона вентиляционного уклона пласта 45
Рис. 3. Зоны разрушения пород в окрестности уклонов по трем теориям прочности в геотектоническом поле напряжений, коэффициент бокового давления равен 1
Наиболее интенсивно увеличиваются размеры зон разрушения пород в боках выработок, особенно в угольных пластах, так как из-за меньшей прочности угля по сравнению с вмещающими породами происходит выдавливание угля в выработки под влиянием горизонтальных напряжений.
Превышение горизонтальных напряжений по сравнению с вертикальными возможно в следующих условиях: в зоне геологических нарушений, в мульдах синклинальных складок, при локальном изменении гипсометрии пластов, при ведении горных работ в зоне влияния массовых взрывов на разрезах.
На рис. 4 приведены изолинии распределения коэффициентов концентрации вертикальных напряжений в зоне влияния уклонов.
Из рисунков следует, что взаимное влияние соседних уклонов несущественное, в пределах 5% от гравитационного поля нетронутого горными работами массива, то есть угольные целики сохраняют свою устойчивость. Максимальные коэффициенты концентрации напряжений установлены в боках крайних выработок: вентиляционного уклона пласта 1 (коэффициент концентрации напряжений К = 1,6) и транспортного уклона пласта 2 (коэффициент концентрации напряжений К = 1,9). При глубине разработки пласта 2 равной 270 м и плотности пород — 2,5 т/м3 напряжения в нетронутом массиве составят 6,75 МПа. При повышенном коэффициенте концентрации вертикальных напряжений в западном боку вентиляционного уклона пласта 1 последние составят около 10,8 МПа.
-10 О 50 2 0 30 40 50 ВО 70 00 90 100 110 Расстояние от левого бока вегл"мляционного /клона пласта 45, м
Рис. 4. Изолинии распределения коэффициента концентрации вертикальных напряжений (К) в окрестности уклонов в гравитационном поле напряжений
Рис. 5. Вертикальные смещения пород кровли (Укр) и пучения пород почвы (V'„у) в гравитационном поле напряжений, мм
Аналогичные разрушения угля в боках ожидаются и других выработок.
Для качественной оценки взаимного влияния уклонов на соседние выработки построены изолинии вертикальных смещений (рис. 5), где отрицательные значения смещений соответствуют опусканию пород, а положительные — пучению.
По результатам анализа характера распределения вертикальных напряжений можно утверждать, что выработки оказывают взаимное влияние друг на друга, на что указывает сформированная общая зона сдвижения пород кровли и частично почвы. Высота зоны сдвижения ограничена пластом нерабочей мощности на расстоянии 30—40 м от кровли пласта 2. В пределах всей зоны сдвижения в окрестности каждого уклона формируется локальная зона в виде полуэллипсов, оси которых наклонены в середину общей зоны сдвижения. Максимальные смещения пород ожидаются в уклонах пласта 1.
Таким образом, по результатам численного моделирования геомеханического состояния углепородного массива в окрестности уклонов пластов 1 и 2 и анализа результатов исследований обоснованы следующие выводы и рекомендации:
1) Ширина угольных целиков между уклонами, тип и конструкции крепи уклонов соответствует требованиям действующих методических документов ВНИМИ.
2) На устойчивость уклонов по пласту 1 существенно влияет верхний пласт 2, так как высота свода разрушения пород в
уклонах пласта 1 достигает кровли пласта 2. Пласт 1 почти не влияет на пучение пород почвы уклонов по пласту 2.
3) В геотектоническом поле напряжений следует ожидать увеличение размеров зон разрушения пород в боках выработок, особенно в угольных пластах, так как из-за меньшей прочности угля по сравнению с вмещающими породами происходит выдавливание угля в выработки. Такая ситуация возможна в зоне геологических нарушений, в мульдах синклинальных складок, при локальном изменении гипсометрии пластов, при ведении подземных горных работ в зоне влияния массовых взрывов на разрезах.
4) В боках выработок ожидается отжим угля, так как вертикальные напряжения в 1,2—1,5 раза превышают предел прочности угля при сжатии в натурных условиях.
5) По результатам анализа характера распределения вертикальных напряжений можно утверждать, что соседние выработки оказывают взаимное влияние, это подтверждается формированием общей зоны сдвижения пород кровли и частично почвы.
6) Высота зоны сдвижения ограничена пластом нерабочей мощности на расстоянии 30—40 м от кровли пласта 2. В пределах всей зоны сдвижения в окрестности каждого уклона формируется локальная зона в виде полуэллипсов, оси которых наклонены в середину общей зоны сдвижения. Максимальные смещения пород ожидаются в уклонах пласта 1.
7) Горизонтальные смещения пород направлены в середину зоны сдвижения от вентиляционного уклона пласта 1 и транспортного уклона пласта 2.
8) При отработке запасов угля в выемочном столбе 2—4 следует ожидать увеличение деформаций транспортного уклона пласта 2. Для обеспечения устойчивости этой выработки в зоне влияния опорного горного давления очистного выработанного пространства необходимо предварительно провести моделирование ожидаемой геомеханической ситуации и разработать мероприятия по профилактике аварий и инцидентов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. — М.: Недра, 1987. - 221 с.
2. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. — М.: Стройиздат, 1982. — 42 с.
3. Оден Д. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. — М.: Мир, 1976. — 464 с.
4. Курленя М.В., Серяков В.М., Еременко А.А. Техногенные геомеханические поля напряжений. — Новосибирск: Наука, 2005. — 264 с.
5. Зубков В.В., Зубкова И.А. Особенности расчета тектонически напряженных зон при отработке свиты пластов // Маркшейдерия и недропользование. - 2013. - №6(68). - С. 22-24.
6. Риб С.В., Фрянов В.Н. Разработка комплекса проблемно-ориентированных программ для численного моделирования напряженно-деформированного состояния неоднородных угольных целиков // Горный информационно- аналитический бюллетень. - 2015. - № 3. -С. 367-372.
7. Риб С.В., Басов В.В. Методика подготовки исходных данных для решения двумерных задач численного моделирования неоднородных угольных целиков // Вестник СибГИУ. - 2014. - № 4. - С. 11-13.
8. Риб С.В., Волошин В.А., Исаченко А.А. Прогнозирование пучения горных пород в окрестности подготовительных выработок при отработке весьма сближенных угольных пластов / Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: сборник научных статей. - Новокузнецк, 2015. - С. 129-132.
9. Борзых Д.М., Риб С.В., Фрянов В.Н. Свидетельство о регистрации электронного ресурса. «Комплекс программ для прогноза геомеханических и технологических параметров подземных горных выработок и неоднородных угольных целиков с тестированием численной модели по результатам точечного мониторинга». Объединенный фонд электронных ресурсов «Наука и образование». - 2014. - № 20629; дата регистрации 09.12.2014. птттг^
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Исаченко Алексей Александрович - горный инженер, ОАО «ОУК «Южкузбассуголь», e-mail: [email protected], Риб Сергей Валерьевич1 - старший преподаватель, e-mail: [email protected],
Волошин Владимир Анатольевич1 - кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected],
Фрянов Виктор Николаевич1 - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, e-mail: [email protected],
1 Сибирский государственный индустриальный университет.
UDC 622.831
A.A. Isachenko, S.V. Rib, V.A. Voloshin, V.N. Fryanov
ASSESSMENT OF GEOMECHANICAL CONDITION OF ROCK MASS IN THE VICINITY OF SLOPES OF ADJACENT COAL SEAMS USING NUMERICAL FINITE ELEMENT MODELING
We have investigated the geomechanical state of rock mass in the vicinity of the four slopes of adjacent seams 1 and 2 using numerical finite element modeling. The author used a complex computer programs CoalPillar, developed at the Department of Geotechnology
SibGIU adapted to the geological and mining conditions of one of the mines Erunakovskogo geological and economic region of Kuzbass. Numerical simulation of finite element method was carried out with two versions of the natural stress field outside the influence of mine workings: the gravitational field of stress and geotectonic stress field. On the stability of slopes on the lower seam 1 significantly affects the upper seam 2, since the height of the arch fracture rock slopes in the seam 1 reaches the roof of the seam 2. Seam 1 has little effect on soil heave rocks slope on the sides of the seam 2. The workings of coal is expected to spin, so the vertical stress in the 1.2 to 1.5 times the tensile strength of coal under compression in natural conditions. The proposed method of assessment of geomechanical parameters when changing geological and mining conditions will develop appropriate preventive measures and recommendations for inclusion in the passport of fastening of developments that will improve the safety of mining operations.
Key words: rock mass, slopes, stress-strain state, numerical modeling, finite element method, software system, pillar, zones of destruction rock.
AUTHORS
Isachenko A.A., Mining Engineer, JSC «GCC «JUzhkuzbassugol», 654924, Novokuznetsk, Russia, e-mail: [email protected], Rib S.V.1, Senior Lecturer, e-mail: [email protected], Voloshin VA.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: [email protected],
Fryanov V.N.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Chair, e-mail: [email protected],
1 Siberian State Industrial University, 654007, Novokuznetsk, Russia.
REFERENCES
1. Fadeev A.B. Metod konechnykh elementov v geomekhanike (Finite element method in geomechanics), Moscow, Nedra, 1987, 221 p.
2. Bate K., Vilson E. Chislennye metody analiza i metod konechnykh elementov (Numerical analysis methods: Finite element method), Moscow, Stroyizdat, 1982, 42 p.
3. Oden D. Konechnye elementy v nelineynoy mekhanike sploshnykh sred (Finite elements in the nonlinear continuum mechanics), Moscow, Mir, 1976, 464 p.
4. Kurlenya M.V., Seryakov V.M., Eremenko A.A. Tekhnogennye geomekhanicheskie polya napryazheniy (Induced geomechanical stress fields), Novosibirsk, Nauka, 2005, 264 p.
5. Zubkov V.V., Zubkova I.A. Marksheyderiya i nedropol'zovanie. 2013, no 6(68), pp. 22-24.
6. Rib S.V., Fryanov V.N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 3, pp. 367-372.
7. Rib S.V., Basov V.V. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo industrial'nogo universiteta. 2014, no 4, pp. 11-13.
8. Rib S.V., Voloshin V.A., Isachenko A.A. Naukoemkie tekhnologii razrabotki i ispol'zovaniya mineral'nykh resursov: sbornik nauchnykh statey (Science-driven technologies of mineral mining and usage: Collection of scientific papers), Novokuznetsk, 2015, pp. 129-132.
9. Borzykh D.M., Rib S.V., Fryanov V.N. Svidetel'stvo o registratsii elektronnogo resursa no 20629. Ob"edinennyy fond elektronnykh resursov «Nauka i obrazovanie» (Electronic resource registration certificate no 20629), Ob"edinennyy fond elektronnykh resursov «Nauka i obrazovanie». 09.12.2014.
