Оценка напряженно-деформированного состояния элементов системы разработки с закладкой с нисходящей выемкой Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

---------------------------------- © И.Ю. Рассказов, Г.М. Потапчук,

В.И. Мирошников, М.И. Рассказова,

2008

УДК 622.831

И.Ю. Рассказов, Г.М. Потапчук, В.И. Мирошников,

М.И. Рассказова

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ С ЗАКЛАДКОЙ С НИСХОДЯЩЕЙ ВЫЕМКОЙ

Методом численного моделирования исследованы особенности формирование техногенного поля при отработке рудного тела нисходящими горизонтальными слоями с закладкой выработанного пространства. Выявленные закономерности перераспределения напряжений в элементах системы разработки и окружающем массиве горных пород позволили обосновать эффективный способ снижения удароопасности при ведении горных работ.

Семинар № 3

У^дной из наиболее сложных проблем подземной разработки месторождений полезных ископаемых в сложных горногеологических условиях и на больших глубинах является прогноз и предотвращение опасных проявлений горного давления, нередко приводящих к катастрофическим последствиям.

Достаточно остро проблема удароопасности стоит на Дальнем Востоке России, где действует целый ряд крупных и средних рудников, на которых наблюдается весь спектр динамических форм проявления горного давления вплоть до сильных с тяжелыми последствиями горных и горно-тектонических ударов. Результаты геомеханических исследований на месторождениях Николаевском, Южном, Антей и ряде других свидетельствуют, что их склонность к горным ударам во многом определяется высоким уровнем действующих в массивах тектонических напряжений [1-4]. Существенная неоднородность естественных полей напряжений, предопределяемая сложностью и особенностями тектонической структуры месторождений, еще больше усиливается при тех-

ногенном воздействии на породный массив в результате ведения горных работ. Перераспределение исходных напряжений и их опасная концентрация на отдельных участках является главной причиной опасных динамических проявлений горного давления. В этой связи выявление и учет закономерностей формирования дополнительного (техногенного) поля напряжений имеют важное значение для обеспечения безопасного и эффективного освоения удароопасных месторождений.

В последние годы наиболее сложная геомеханическая ситуация сложилась при отработке глубоких горизонтов месторождения урановых руд «Антей» [4]. Месторождение представлено в виде локализованных в зонах разломов крутопадающих рудных тел субмеридио-нального простирания мощностью от нескольких до первых десятков метров и протяженностью по глубине до 1500 м. Вмещающими породами являются мелко- и средне зернистые лейкократовые граниты, а также биотитовые граниты и гранитогнейсы. Форма гранитных тел жильная, реже линзообразная.

Основными структурными элементами месторождения «Антей» являются сближенные в пространстве субпарал-лельные сложно построенные зоны разломов 160 и 13. Они имеют встречные падения и на глубине 750 м практически сливаются. Зона разлома 160 является основной рудоконтролирующей и рудовмещающей и состоит из серий швов се-вер-северо-восточного простирания (по азимуту 25-30о) и крутого падения. Мощность швов тектонических напряжений изменяется от 1 до первых десятков метров.

Практически все разновидности пород месторождения проявляют склонность к упругому деформированию и хрупкому разрушению в динамической форме. К наиболее удароопасным породам относятся лейкократовые граниты, предел прочности которых на одноосное сжатие (СТ ) в среднем изменяется от 180 до

250 МПа, модуль Юнга (Е) — от 59,3 до 68,3 ГПа.

По результатам натурных измерений установлено [3], что в гранитах фундамента действует неравнокомпонентное поле напряжений, в котором преобладают горизонтальные сжимающие напряжения, наибольшие из которых в 1,5—2,5 раза превышают гравитационную составляющую от веса налегающей толщи пород, что указывает на определяющее влияние тектонических сил в формировании естественного напряженного состояния.

Очистные работы на месторождении достигли глубины 700 м (на XI горизонте). На ниже лежащих горизонтах ведутся горно-подготовитель-ные работы. С переходом горных работ на более глубокие горизонты и увеличением выработанного пространства (в настоящее время

площадь подработки превышает 100

2\

тыс. м ) начал происходить рост числа и интенсивности динамических проявлений

горного давления. Так, если до 2000 гг. на месторождении отмечалось не более 8 случаев динамических проявлений горного давления в год, то начиная с 2004 г. ежегодно регистрируется до 100 и более динамических явлений.

Для разработки месторождения в качестве основной применяется достаточно редко встречающаяся в горной практике система разработки нисходящими горизонтальными слоями с закладной выработанного пространства твердеющими смесями. В зависимости от мощности рудного тела слои отрабатываются одной или несколькими заходками непосредственно под искусственной кровлей закладочного массива. Высота этажа между горизонтами 60 м. В соответствии со сложившимся в последние годы на руднике порядком подготовки и отработки запасов, рудный массив делится на два полублока, отрабатываемых одновременно по простиранию рудного тела. Постепенно уменьшающийся в процессе добычных работ рудный целик разгружается путем камуфлетного взрывания скважинных зарядов, размещаемых в вертикально пробуренных нисходящих скважинах диаметром 105 мм через 2,5 м).

Как показала практика, применяемые способы разгрузки не только не снижают степень удароопасности разрабатываемого массива горных пород, но и усугубляют ее, провоцируя процесс динамического разрушения межполублоч-ных целиков. Именно с разрушением последнего связано наиболее мощное, из зарегистрированных на месторождении, динамическое явление, которое было классифицировано как горный удар горно-тектонического типа. Удар, произошедший 14.05.2005 г. в рудном целике блока 6А-1114 на уровне 13 слоя, сопровождался резким звуком, образованием воздушной волны, сейсмическим эффек-

том (сопоставимым со взрывом 10 тонн ВВ), ощущавшимся в здании поверхностного комплекса рудника. В результате горного удара были разрушены борта и кровля уклона с 4 на 5 слой, сопряжения и искусственная кровля заходок 4 и 11 слоев, борта рудоспуска 6А-1114/1, разрушено крепление выработок.

Сложившаяся удароопасная ситуация на месторождении потребовала постановки и проведения комплексных геоме-ханических исследований, включающих экспериментальные шахт-ные измерения и математическое моделирование на-пряженно-деформи-рованного состоя-

ния (НДС) массива горных пород методом конечных элементов (МКЭ) [5]. Данный метод весьма эффективен и широко применяется для оценки техногенных полей напряжений в конструктивных элементах систем разработки и прогнозирования проявлений горного давления [6-8].

С помощью математического моделирования МКЭ в упругой двумерной постановке решалась следующие задачи: 1) исследовали изменение уровня напряжений в отдельных точках массива и элементах горных конструкций по мере уменьшения величины межполу-блочного целика в процессе отработки очистного блока (рис. 1); 2) оценивали эффективность применяемых профилактических мероприятий.

Расчеты напряженно-деформиро-

ванного состояния участка массива горных пород, расположенного на глубине 580-740 м, проводили при следующих граничных условиях: первые главные напряжения Ст1 действуют в горизонтальной (а1 = 50 МПа), а вторые главные напряжения а2 — в вертикальной плоскости, при этом их величина задавалась пропорционально весу вышележащих пород и изменялась от 16,5 МПа (на глубине 630 м) до 18,59 МПа (на глуби-

не 730 м). Модуль упругости принимали: вмещающие породы Еп =70 ГПа, руда Ер =35 ГПа, закладочный массив Ез =9 ГПа. Коэффициент Пуассона у пород, руд и закладочного массива составлял соответственно: 0,21, 0,22 и 0,22. Плотность изменялась от 2700 кг/м3 у пород и руд до 2600 кг/м3 у закладочного массива.

Моделировались следующие стадии отработки блока (см. рис. 1). На 1 стадии отрабатываются первые слои верхнего и нижнего полублоков (рудный массив делится на 2 полублока). На 2 стадии отрабатываются вторые слои верхнего и нижнего полублоков, а ранее отработанные слои заполняются твердеющей закладкой. Такой же порядок отработки сохраняется до 6 стадии включительно, а затем идет последовательная отработка только нижнего полублока (стадии 7-11). Сформировавшийся межполублочный целик разгружается камуфлетным взрыванием ряда вертикальных скважинных зарядов. Результаты расчетов представлялись в виде изолиний средних нормальных напряжений оср = (01+02)/2 и интенсивности касательных напряжений тинт = (о)— ст2)/2.

Анализ результатов моделирования показал следующее. До начала отработки блока напряжения сжатия концентрировались преимущественно в его нижней части вдоль границы закладочного и рудного массивов, при этом значения оср не превышали 50 МПа. После деления рудного массива на два полу-блока (стадия 1 и последующие) область повышенных напряжений начинает перемещаться к центральной части меж-полублочного целика (точка А), значения которых на 6 стадии отработки превышают у оср и тинт соответственно 70 и 50 МПа (рис. 1, 2).

Рис. 1. Обобщенная расчетная схема для моделирования НДС участка месторождения, отрабатываемого нисходящими слоями с закладкой выработанного пространства: 1, 2 - соответственно закладочный и рудный массив, 3 - междуполублочный массив, 4, 5 - тектонические нарушения (римскими цифрами показана очередность отработки горизонтальных слоев; А и Б -характерные точки в массиве)

При этом резко (более чем в 2,5 раза) увеличивается интенсивность касательных напряжений в участке массива вдоль левой границы очистного блока в области влияния уклона (точка Б). Напряженно-дефор-мированное состояние здесь приближается к одноосному (аср & тинт) и характеризуется высоким уровнем напряжений сдвига, что может приводить к значительным объемным деформациям и вероятности разрушения этого участка массива. Отработка нижнего полублока (стадии 711) практически не влияет на уровень напряжений в точках А и Б (см. рис. 1), приводя лишь к разгрузке массива вдоль вертикальных границ закладочного массива.

Резко меняется картина распределения напряжений после проведения профилактических мероприятий по снижению удароопасности путем щелевой разгрузки межполублочного целика. Сквозная разделка щели шириной 1 м приводит к его разгрузке, но одновременно вызывает резкое (более чем в 2 раза) увеличение сжимающих напряжений в нижней части блока на уровне XI горизонта, расположенного на глубине 690 м от поверхности. Значения аср в почве выработок 10 слоя превышают 100 МПа, указывая на высокую вероятность динамических проявлений горного давления при зарезке следующего слоя.

ст Т

ер > I

-140

-130

-120

-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

о

10

,, МПа

Посп е щелевой разгрузки

1 А

1 \ і/ \

V і

А \

г "і

1/А \

X V

—»— —*— —/1 \ р

! \ \ //

Я _— 1 \\

1 1 \\ к ч

1 \

V

I 1

и III IV Среднее давление -

VI VII VIII IX X XI Вер™- Вер™- Наклонная

кальная кальная с

6 м 12М 6м

Интенсивность касательных напряжений Положение и протяженность

разгрузочной щели

Рис. 2. Изменение среднего давления ашср и максимальных касательных напряжений тинт в центре межполублочного целика (точка А) на различных стадиях отработки очистного блока

Рис. 3. Распределение оср в массиве горных пород на 6 стадии отработки очистного блока (размер целика 12 м)

Кроме того, сквозная разгрузочная щель существенно осложняет выемку запасов межполублочного целика, сопряженную с проходкой горизонтальных выработок (заходок), в кровле которых будут находиться разрушенные взрывом породы.

В случае создания щели не на всю высоту целика (а именно такая практика сложилась при разработке данного месторождения), напряжения снижаются только в окрестностях самой щели, зато в нижней ее части они резко возрастают, достигая величины близкой к пределу

прочности горных пород (см. рис. 2, рис.

4). Тем самым, подтверждается недостаточная эффективность применяемого способа снижения удароопасности.

Результаты математического моделирования удовлетворительно подтверждаются данными натурных измерений геомеханическим методом [9]. В вертикальных скважинах, пробуренных в межполублочном целике блока 6а-1110 между 11 и 18 слоями, почти на всем их протяжении отмечалось интенсивное дискообразование керна. Наличие по глубине скважины нескольких участков

Рис. 4. Распределение <гср в массиве горных пород после создания вертикальной разгрузочной щели длиной 6 м

дискования керна, свидетельствует о высоком уровне действующих напряжений, обусловленных их концентрацией в уменьшающемся целике и влиянием тектонической структуры массива. Последнее особенно отчетливо проявляется в участке массива, приуроченного к месту «перижима» рудоконтролирующего тектонического шва, где ранее неоднократно отмечались динамические проявления горного давления.

В процессе выбора и геомеханиче-ском обосновании способов снижения удароопасности в числе прочих было выполнено моделирование варианта щелевой разгрузки, при котором щель (длиной 8,5 м) создается не в самом целике, а во вмещающем породном массиве под углом 45° к рудному телу (рис.

5).

При таком расположении щели, напряжения концентрируются только в ее призабойной части за пределами мест ведения горных работ. В самом же целике

Рис. 5. Распределение (тср в массиве горных пород после создания наклонной разгрузочной щели длиной 8,5 м

напряжения снижаются и лишь незначительно (в 1,1-1,3 раза) превышают первоначальный уровень. Выявленные особенности распределения техногенных напряжений в элементах системы разработки дают основания рассматривать такой способ снижения удароопасности как достаточно эффективный. Кроме того, при его реализации существенно улучшаются условия проходки и поддержания горных выработок при доработке блока.

Полученные результаты позволили сделать следующие выводы:

1. Применяемые на месторождении «Антей» технология и порядок отработ-

ки запасов, предусматривающие деление участка рудной залежи на два полу-блока с последующей разработкой нисходящими горизонтальными слоями с закладкой выработанного пространства, приводят к значительному перераспределению напряжений в зоне влияния очистной выемки и их опасной концентрацией в отдельных участках массива горных пород. При этом наиболее высокая концентрация напряжений отмечена в формирующемся межполублочном целике, где среднее давление превышает первоначальный уровень в 1,8-2 раза, а интенсивность касательных — в 2 раза,

что указывает на потенциальную ударо-опасность этого участка массива.

2. Принятая на предприятии схема разгрузки массива путем камуфлетного взрывания вертикальных скважинных зарядов, не в полной мере обеспечивает снижение удароопасности, так как при этом происходит перераспределение и опасная концентрация напряжений или в нижней части блока (при разделке сквозной щели) или (при создании щели не на всю высоту целика) в нижней части целика, что создает высокую вероятность динамических проявлений горно-

1. Рассказов И.Ю., Курсакин Г.А. Оценка и контроль удароопасности массива горных пород на рудниках.- Владивосток: Дальнаука, 2001.-167 с.

2. Повышение эффективности подземной разработки рудных месторождений Сибири и Дальнего Востока / А.М. Фрейдин, В.А. Ша-лауров, А.А. Еременко и др. Новосибирск: Наука, СИФ, 1992.-177 с.

3. Поляков А.Н. Прогноз удароопасности горнотехнических ситуаций на перспективные глубины разработки // Горный журнал. 1993. № 4. С. 51-56.

4. Особенности динамических проявлений горного давления на месторождении «Антей» / И.Ю. Рассказов, Б.Г. Саксин, П.А. Аникин, Г.П. Потапчук, Б.А. Просекин, О.А. Исьянов // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2007. № ОВ9. С. 167-177.

5. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике, М.: Недра, 1987.

го давления при ведении горных работ на этих участках.

3. Для предотвращения динамических проявлений горного давления при отработке межполублочных целиков может быть рекомендован предлагаемый вариант щелевой разгрузки с расположением щели длиной 8,5 м во вмещающем породном массиве под углом 45° к рудному телу, обеспечивающий снижение напряжений в горном массиве и создание благоприятных условий проходки и поддержания горных выработок при доработке блоковых запасов.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

6. Рассказов И.Ю., Чернышов О.И., Марач В.М. Влияние условий разработки на характер формирования техногенных полей напряжений в удароопасном массиве горных пород // Безопасность труда в промышленности. - 2004. - № 8. - С. 50-55.

7. Курленя М.В., Серяков В.М., Еременко А.А. Техногенные геомеханические поля напряжений. - Новосибирск: Наука, 2005. - 264 с.

8. Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов: Справочное пособие / И.М. Петухов, А.М. Линьков, В. С. Сидоров и др. -М.: Недра, 1992.

9. Инструкция по безопасному ведению горных пород на рудниках и нерудных месторождениях, объектах строительства подземных сооружений, склонных и опасных по горным ударам (РД 06-329-99) / Колл. авторов. — М.: ГП НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2000. - 66 с. НИ

— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------

Рассказов И.Ю. - доктор технических наук, директор,

Потапчук Г.М. - младший научный сотрудник,

Мирошников В.И. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Рассказова М.И. - младший научный сотрудник,

Института горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 3 симпозиума «Неделя горняка-2008». Рецензент д-р техн. наук, проф. С.А. Гончаров.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

1т

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания:

Число сохранений:

Дата сохранения:

Сохранил:

Полное время правки: 3 мин.

Дата печати: 25.11.2008 23:39:00

При последней печати страниц: 9

слов: 2 460 (прибл.)

знаков: 14 022 (прибл.)

5_Рассказов3

Е:\С диска по работе в универе\ГИАБ_2008\11\семинар-08 С:\и8ег8\Таня\АррВа1а\Коатіп§\Місго80й\Шаблоньі\Когта1.до УДК 622 ИГД ЛППРМ

03.09.2008 10:09:00 2

03.09.2008 10:09:00 Гитис Л.Х.