Оценка напряженно-деформированного состояния массива горных пород вблизи бортов карьера "Мир", подрабатываемых подземными горными выработками

Демин А.М.; Цветков В.К.; Евсеев В.Н.

УДК 622.271

А.М. Демин, В.К. Цветков, В.Н. Евсеев

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ВБЛИЗИ БОРТОВ КАРЬЕРА “МИР”, ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ ПОДЗЕМНЫМИ ГОРНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ

Семинар № 13

~я~ ~ж~ елью исследований являлась оцен-я я ка напряженно-деформи-

^ рованного состояния приоткосной зоны бортов карьера “Мир”, ослабленного подземными горными выработками и надежности потолочины, разделяющей открытые и подземные горные работы.

Существует множество аналитических методов оценки устойчивости откосов и на их основе разработаные нормативные методические указания (которые более 30 лет не пересматривались).

Большинство из них ( разработки ВНИМИ ) не учитывают ни распределения напряжений в приоткосной области, ни коэффициента бокового распора (ц), также они не позволяют проводить оценку устойчивости откосов при ц>0,5 и определять распределение перемещений в приоткосной области массива. Кроме того, поверхность разрушения по этим методикам строится условно и принимается, как правило, круглоцилиндрической формы.

В Волгоградском инженерно-строительном институте при участии ИПКОН РАН разработан расчетный метод, базирующийся на фундаментальных положениях теорий упругости, пластичности, и механики горных пород [1]. В отличие от других методов, форма поверхности разрушения не принимается заранее известной, а определяется из условия минимальности коэффициента устойчивости в каждой ее точке и зависит от физико-механических характеристик горных пород. Математическая компьютерная программа,

разработанная на основе этого метода учитывает все компоненты напряжений при плоской деформации, влияние подошвы выработки и взаимное влияние ее бортов, наличие в приоткосной зоне упругой и пластической областей и изменение физико-механических свойств массива горных пород с глубиной и временем.

Напряжения в однородных приоткосных зонах определяются с использованием впервые полученного, методом теорий функций комплексного переменного, точного решения задач теории упругости для полуплоскости с криволинейной границей, подверженной воздействию собственного веса и других внутренних и внешних сил, и приближенного решения соответствующих упруго-пластических задач [2].

Разработка математической модели основана на применении метода конечных элементов, где различным элементам можно присваивать различные физико-механичес-кие свойства.

Граничные условия определены таким образом, чтобы оказались равными напряжения, вычисленные в одних и тех же точках приоткосной зоны. Граничные условия заданы следующим образом: 1) вдоль вертикальных границ расчетной схемы отсутствуют перемещения в горизонтальном направлении; 2) вдоль нижней горизонтальной границы отсутствуют вертикальные перемещения; 3) на перемещения других точек ограничения не наложены.

Оценка устойчивости бортов карьера осуществляется следующим образом:

1. определяются напряжения и перемещения точек в приоткосных зонах;

2. строится наиболее вероятная поверхность разрушения из условия, что в каждой ее точке коэффициент устойчивости минимален;

3. определяется коэффициент устойчивости как отношение либо суммы удерживающих к сумме сдвигающих сил, действующих вдоль наиболее вероятной поверхности разрушения, либо как отношение суммы удерживающих к сумме сдвигающих работ, производимых этими же силами.

Разработанная программа позволяет также строить изолинии напряжений и перемещений, определять границы зоны нарушения сплошности материала и др.

Оценим устойчивость бортов карьера трубки “Мир” и надежность потолочины, разделяющей карьер от подземных горных работ с помощью изложенного выше метода математического моделирования.

Трубка «Мир» находится на пересечении зон региональных разломов: субмеридиональ-ного, получившего название “Параллельный”, и “Центрального”, простирающегося на юго-запад.

Кристаллический фундамент в районе трубки находится на глубине порядка 2100м. Породы, вмещающие рудное тело, представлены терригенно-карбонатными, сульфатно-

карбонатными, галогенно-карбо-натными и битуминозными отложениями кембрийского возраста. До глубины 500 мив интервале глубин 850-1030 м вмещающими породами являются известняки, доломиты, мергели (глинистые разновидности) и ангидриты. В интервале глубин 500-800 м и ниже 1000 м залегают гало-генно-карбонат-ные толщи пород, соленасы-щенность первой из которых составляет 60-65 %, второй- до 42 %. Пласты каменной соли достигают здесь мощности соответственно 23 и 15 м. Прочностные свойства вмещающих пород закономерно увеличиваются с глубиной (0-500 м - 20 МПа, 500-800 м - 32 МПа, 800-1000 м -48 МПа). Прочность массива снижается из-за наличия прослоев мергелей, ангидритов, гал-литов, которые являются водонеустойчивыми, менее прочными, способными к разбуханию и пластической деформации (соли).

Участок сопряжения бортов и дна карьера

Рис. 1. Схема слоевой отработки рудного тела:

1 - карьер; 2 — затопленная часть карьера; 3 — «рудная корка; 4 —кимберлитовая трубка; 5 — слои

находится в сложном напряженном состоянии. Величины и характер действующих здесь напряжений определяются не только исходным состоянием и свойствами нетронутого массива горных пород, но и геометрическими параметрами карьера. Многообразие геологических условий месторождения требует индивидуального подхода к геологическому анализу сложившейся горнотехнической ситуации на этапе перехода к подземной разработке.

На рис. 1 представлена схема комбинированной разработки месторождения трубки “Мир” с закладкой выработанного пространства. На этапе проектной проработки существовало два варианта выемки подкарьерных запасов по восходящей и нисходящей схемам. Обе схемы предполагали оставление защитного рудного целика мощностью 15-20 м с последующей разработкой рудного тела на глубину 100 мс закладкой выработанного пространства твердеющими смесями.

В результате математической обработки данных моделирования удалось выявить характер изменения устойчивости бортов и деформаций дна карьера по мере удаления вглубь массива. Для восходящего и нисходящего порядков поэтапной выемки определены коэффициенты устойчивости К и вертикальные составляющие перемещений V контурных точек подошвы карьера при различном расположении зон ослабления и мощности закладочного массива. На рис. 2. представлены зависимости коэффициентов запаса устойчивости бортов карьера и вертикальных перемещений контурных точек подошвы карьера от мощности закладочного массива. Результаты расчетов показывают, что при рассмотренных способах выемки величины коэффициентов запаса ус-

1

Зависимое! ь коэффициентов «паса устойчивости Аорюв карьер* К и вертикальны* перемещений контурных точек подошвы карьера V от рам еров и расположения зоны оембленяа II

.К

»-*- при иисходяикм порядке выемки

Рис.2.

тойчивости бортов (при углах откоса бортов Р = =48°, и 50°) отличаются друг от друга не более чем на 5%. В то время, как вертикальные перемещения точек № 2 и 3 при нисходящем способе в 3-4 раза больше, чем при восходящем способе выемки.

Среднее уменьшение величин К с появлением зон ослабления при Н = 40, 80 и 130 м соответственно составляет: при восходящем способе выемки - 6, 8 и 15 %; при нисходящем -10,13 и 14 %. Следует отметить, что коэффициент запаса устойчивости целика при восходящем способе выемки иН = 40 м равен 1,15. Во всех остальных случаях он меньше 1 и изменяется от 0,6 до 0,8.

Учитывая характер изменения вертикальных деформаций контурных точек подошвы

1. Демин А.М., Цветков В.К. Расчет устойчивости откосов карьеров при контактных оползнях.- В сб. ИП-КОН РАН. Ресурсосберегающие технологии открытой разработки месторождений. - М., 1992, с. 77-84.

Коротко об авторак

карьера приходим к выводу, что схема восходящей слоевой отработки более безопасна, рост вертикальных деформаций смещения плавный и до глубины зоны ослабления 80 м абсолютные вертикальные смещения не превышают 60 см. С увеличением размеров выработанного пространства более 50-60 м наблюдается более резкое увеличение скорости деформации, максимальные абсолютные значения которых достигают 1,5-2,0 м. При этом, в образовывающиеся трещины через рудную перемычку могут проникать агрессивные воды вглубь закладочного массива и подземные горные выработки.

При нисходящей отработки слоев и закладке выработанного пространства происходит накопление оседаний целика между открытыми и подземными разработками за счет уплотнения закладочного материала и неполноты закладки. В этом случае прогиб «рудной корки» получается максимальным, что может привести к ее деформированию. С учетом этого необходимой системой разработки, способной обеспечить безопасность и эффективность отработки подкарьерных запасов, является система восходящей слоевой выемки с закладкой выработанного пространства. Поскольку при восходящем порядке отработки слоев происходит дозакладка образовавшихся полостей и оседания не накапливаются, в результате чего прогиб «рудной корки» будет минимальным.

Таким образом, подземные горные выработки не оказывают существенного влияния на устойчивость бортов карьера "Мир". Принятая проектом мощность потолочины 15-20 м обеспечивает безопасность ведения подземных горных работ при восходящей схеме выемки руд и мощности закладочного массива до 80 м.

Предложенный метод расчета может быть использован в широком диапазоне инженерногеологических условий при комбинированной разработке месторождений полезных ископаемых.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Цветков В.К. Расчет рациональных параметров горных выработок.- М.: Недра, 1993,- 251с.

Демин А.М. - ИПКОН РАН.

Цветков В.К., ЕвсеевВ.Н. - Волгоградская архитектурно-строительная академия.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Демин А. М., Цветков В. К., Евсеев В. Н.