CC BY
1
УДК 622.831
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
ЦЕЛИКА В ПРОЦЕССЕ ВЕДЕНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ
Т.Ф. Харисов, А.Е. Балек, И.Л. Озорнин, Н.А. Масальский
Проведены исследования по определению параметров охранного целика, обеспечивающих его устойчивость по мере развития очистных работ, производилось в двумерном и трехмерном вариантах при различной ширине целика 20, 40, 60 и 80 м с целью оценки уровня смещений и напряженно-деформированного состояния. Исходя из полученных результатов определена зависимость изменения напряженно-деформированного состояния в днище охранного целика по мере увеличения ширины его основания
Ключевые слова: целик, напряженно-деформированное состояние, моделирование, метод конечных элементов.
Введение
Вопрос оценки устойчивости массива является актуальной проблемой, так как от качества решения данного вопроса зависит безопасность ведения горных работ. Потеря устойчивости подземных горных выработок и других конструктивных элементов, может привести как к огромным экономическим потерям в результате остановки добычи полезного ископаемого, так и к гибели людей.
Существует различные методы расчетов параметров целиков, которые учитывают множество факторов, например: напряженно-деформированное состояние, трещиноватость массива, физико-механические свойства пород, масштабный эффект, длительность нагру-жения и другие особенности пород, слагающих исследуемый массив (угольный, калийный, полускальный, скальный и другие) [1 - 13].
В настоящее время наиболее распространено моделирование методом конечных элементов. С помощью которого, в данной работе, произведена оценка устойчивости целика при разных его параметрах [10 - 13].
Объектом исследований является массив месторождения «Алмаз-Жемчужина» шахты «10-летие независимости Казахстана».
Цели работы: обеспечить устойчивость целика на границе систем разработок с обрушением руды с донным (ОБО) и торцевым выпуском (БЬС)
Рассматриваемый участок разработки горизонта -480 м представляет собой часть рудного тела месторождения «Алмаз-Жемчужина», находящегося в пределах поля шахты «10-летие независимости Казахстана» и простирающегося к югу от карьера «Объединенный» на 2830 м, при ширине до 800 метров. В разрезе рудное тело на участке представляет собой
линзу без выраженного падения с раздувами, пережимами, апофизами, тупым выклиниванием и расщеплением на выклиниваниях.
В геологическом строении месторождения «Алмаз-Жемчужина» принимают участие интрузивные ультраосновные и основные породы среднего палеозоя.
В рудном горизонте, мощностью порядка 900 м, развиты серпентиниты по дунитам, представленные массивной или трещиноватой породой. Рудное тело сложено преимущественно богатыми густо-вкрапленными и сплошными средне- и крупнозернистыми рудами. Вмещающие породы представлены серпентинитами по дунитам, пироксеновым дунитам и перидотитам. Контакты рудного тела с вмещающими породами резкие и четкие.
Методы исследований
Для построения расчетной модели и оценки формирования вторичного напряженно-деформированного состояния рудопородного массива использовался программный комплекс ЯосБшепсе ЯБЭ, который предназначен для решения плоских и объемных задач теорий упругости и пластичности методом конечных элементов с целью определения зависимостей изменения основных геомеханических показателей подрабатываемого массива и целиков, горных выработок.
Исходными данными для моделирования в программном комплексе служат значения первоначальных напряжений горного массива и физико-механических свойств пород (модуля деформации массива, коэффициента Пуассона пород и руд, угла внутреннего трения, сцепления, плотности, пределов прочности на сжатие и растяжение и др.), а также параметры горных выработок (табл. 1).
Таблица 1
Прочностные и деформационные свойства участков рудопородного
массива
Вмещающий протяженные подготови- Вмещающий очистные камеры размерами
тельные и нарезные вы заботки более 30 м и выработанное пространство
Участки массива Предел прочности на сжатие, МПа Предел на Модуль Предел прочности на сжатие, МПа Предел на Модуль
растяжение, МПа упругости, ГПа растяжение, МПа упругости, ГПа
Налегающий 3 0,3 5 1 0,1 4
Рудный 1 0,1 4 0,2 0,1 3
Подрудный 4 0,4 6 1 0,1 4
Для решения поставленной задачи, а именно определение параметров охранного целика, обеспечивающих его устойчивость по мере развития очистных работ, производилось в трехмерном варианте при различной ши-
рине целика 20, 40, 60 и 80 м с целью оценки уровня смещений и напряженно-деформированного состояния, формирующегося по мере отработки двух частей рудного тела системами GSC и SLC с последующим обрушением вмещающих пород (рис. 1). Также стоит отметить, что формирование торцевых частей целика по мере выпуска руды с самообрушением пород будет осуществляться под углом обрушения, который составляет около 75 град., что, несомненно, будет оказывать влияние на его геометрические параметры.
Рис. 1. Различные варианты параметров охранного целика на границе систем разработок GSC и SLC на гор. - 480 м
Результаты исследований
Оценка вторичного напряженно-деформированного состояния производилась в его нижней части, где планируется проходка откаточных и выпускных выработок.
Полученные диаграммы распределения максимальных главных напряжений а1 позволяют оценить зоны их концентрации на контуре и в центре днища исследуемого целика при различных вариантах его ширины (рис. 2).
Основная концентрация напряжений происходит на контуре днища целика, что соответственно будет оказывать негативное воздействие на устойчивость откаточных и выпускных выработок. По мере увеличения ширины целика площадь зон концентраций напряжений на разрезе и их уровень снижается, соответственно доля выработок необходимых для его разработки и попадающих в зоны повышенного НДС также будет уменьшаться.
а б
Целик шириной 20 м
Целик шириной 40 м
Целик шириной 60 м
Целик шириной 80 м
I
Целик шириной 20 м
Целик шириной 40 м
Целик шириной 60 м
Целик шириной 80 м
»МП I Г^ЮШш
Рис. 2. Результаты моделирования : а - напряженно-деформированное
состояние днища целика о1 при различных вариантах его ширины по плоскости ХУ; б - зоны дезинтеграции днища целика при различных вариантах его ширины по плоскости ХУ
Согласно оценки расчетных значений напряжений по профилю проходящем через центральную часть днища целика, можно сделать вывод, что при ширине основания целика равное 20 м в крайних зонах концентрации напряжений а1 составляет около 33 МПа. В центральной части охранного целика напряжения падают до значений близких к природному НДС и
составляют около 24... 24,5 МПа. С увеличением ширины целика до 40 м на приконтурной зоне целика напряжения уменьшаются на 16 % и составляют 27.27,6 МПа. Дальнейшее увеличение ширины целика до 60 и 80 м позволяют снизить данные напряжения до 25,4, и 24,7 МПа соответственно (рис. 3).
Р^апсе 1т] 5!дта 1 Effect¡ve [МРа]
Рис. 3. Расчетные напряжения о1 в днище целика шириной
20, 40, 60 и 80 м
Оценка устойчивости охранного целика выполняется на основании анализа развития нарушенных зон, которые формируются в днище целика. Охранный целик с шириной основания равное 20 м находится почти полностью в нарушенном состоянии, о чем свидетельствует распространение зон сдвиговых и растягивающих деформаций до центральной части целика. По мере роста ширины целика, распространение нарушенных зон уменьшается, формируется более четка граница между обрушенными породами и целиком, что свидетельствует о повышении его устойчивости (рис. 2).
Кроме того, исследование напряженного состояния целика выполнялось с применением двумерного моделирования. Результаты показали следующее.
При ширине основания целика равном 40 м максимальные и минимальные напряжения в его нижней части (днище) достигают а1 = - 40 МПа и а3= -15 МПа. В середине целика максимальные напряжения составляют около -24 МПа. В нижней части целика с шириной основания равное 70 м, максимальные и минимальные напряжения составляют около а1 = -37,5 МПа, а3 = -15 МПа. Целик шириной 100 м формирует максимальные а!
напряжения равные около 35 МПа и минимальные напряжения а3 = -15 МПа
Исходя из полученных результатов определена зависимость изменения напряженно-деформированного состояния в днище охранного целика на гор. - 480 м по мере увеличения ширины его основания (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость максимальных напряжения в днище целика
от его ширины 1ц
Сопоставительный анализ представленных результатов свидетельствует, что изменение ширины днища целика оказывает влияние на его устойчивость и напряженно-деформированное состояния приконтурной части массива, так как по мере уменьшения его ширины с 80 м до 20 м в центре целика начинают формироваться нарушенные зоны. При ширине днища охранного целика равном 20, 40, 60, 80 м максимальные расчетные напряжения на контуре днища целика составляют 33, 27,6, 25,4, 24,7 МПа соответственно.
Кроме того, при выборе оптимальных параметров целика необходимо дополнительно к геомеханическим факторам учитывать технологические условия его разработки, изменяющихся при варьировании ширины целика (табл. 2) [14].
Таблица 2
Условия разработки охранного целика системой этажного
самообрушения
Ширина целика, м Геомеханические условия Технологические условия разработки
20 Крайне неблагоприятные: распространение зоны дезинтеграции в тело целика, максимальные главные напряжения о1 на контуре достигают около 33 МПа Разработка по технологическим соображениям невозможна
40 Неблагоприятные: тело целика находится преимущественно в ненарушенном состоянии, максимальные главные напряжения о1 на контуре уменьшаются на 16 % и составляют 27.. .27,6 МПа Неприемлемые: при выпуске обрушенной руды почти сразу происходит ее разубоживание затекающими сбоку налегающими породами, что приводит к резкому снижению качества рудной массы и, следовательно, прекращению добычи. Потери руды могут достигать 60 %
60 Благоприятные: тело целика находится в ненарушенном состоянии, максимальные главные напряжения о1 на контуре составляют 25,4 МПа Неприемлемые: разубоживание руды затекающими сбоку налегающими породами также приводит к снижению качества рудной массы. Потери руды составят не менее 35 %
80 Весьма благоприятные: тело целика находится в ненарушенном состоянии, максимальные главные напряжения о1 на контуре составляют 24,7 МПа Благоприятные: большая часть запасов руды (в средних панелях) извлекается с минимальным разубожива-нием. Потери руды минимальны
Выводы
На основании геомеханических и технологических условиях, можно сделать вывод, что оптимальная ширина целика составляет 80 м, так как тело целика будет находиться в ненарушенном, устойчивом состоянии, максимальные главные расчетные напряжения а1 на контуре и в середине будут составлять около 24,7 МПа, что практически соответствует уровню природного поля напряжений в окружающем массиве, а большая часть запасов руды может быть извлечена с минимальным разубоживанием при низких показателях потерь полезного ископаемого.
Статья подготовлена в рамках реализации государственного задания № 075-00412-22 ПР, тема рег. № 1021062010536-3-1.5.1.
Список литературы
1. Тутанов С.К., Тутанов М.С., Тутанова М.С. Математическая модель определения факторов, влияющих на устойчивость целиков и камер // Комплексное использование минерального сырья. 2020. № 3 (314). С. 15-21.
2. Чанышев А.И., Абдулин И.М., Белоусова О.Е. О потере устойчивости целиков цилиндрической формы за пределом упругости // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2021. № 3. С. 101-113.
3. Харисов Т.Ф., Харисова О.Д. Исследование устойчивости массива в процессе разработки месторождения в сложных горно-геологических условиях // Проблемы недропользования. 2019. № 2 (21). С. 79-87.
4. Напряженно-деформированное состояние подземного охранного объекта (целика) / И.Ф. Марийчук, И.В. Купенко, Д.Д. Выговская, Н.Д. Барсук // Проблемы горного давления. 2020. № 1-2 (38-39). С. 65-79.
5. Липницкий Н.А., Устинова Я.В. Алгоритм расчета ширины межстолбового целика при разработке месторождения калийных солей различным горным оборудованием с точки зрения снижения эксплуатационных потерь // Горное оборудование и электромеханика. 2022. № 1 (159). С. 9-18.
6. Геомеханическое обоснование устойчивости подготовительных выработок при совместном влиянии очистных работ и природного поля напряжений / Г.Л. Феофанов, В.Г. Бянкин, М.В. Шванкин, А.В. Бондарев // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2018. № S48. С. 103-112.
7. Обоснование параметров целиков при отработке наклонных угольных пластов в условиях шахт провинции куангнинь вьетнама / В.Н. Нгуен [и др.] // Горные науки и технологии. 2022. Т. 7. № 2. С. 93-99.
8. Макаров А.Б. Практическая геомеханика. Пособие для горных инженеров. М.: Изд-во «Горная книга», 2006. 391 с.
9. Wang M., Xu Y., Chu T. Stability control of overburden and coal pillars in the gob-side entry under dynamic pressure // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2023 P. 28-36.
10. Wang M., Cai M. Numerical modeling of time-dependent spalling of rock pillars // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 2021. P. 52-58.
11. Wang B., Dang F., Chao W. Method for determining the width of protective coal pillar in the pre-driven longwall recovery room considering main roof failure form // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2020. P. 44-50.
12. Определение устойчивости междужильных целиков методами математического моделирования / В.В. Бессонов [и др.] // Труды университета. 2010. № 1 (38) С.52-54.
13. Тхориков А.И., Сотников Р.О., Глинский В.В. Компьютерное моделирование геомеханических процессов для прогноза напряженно- деформированного состояния при проведении выработок через целик равный трем пролетам выработки // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2020. № S22. С. 3-13.
14. Бадж М.Н. Предотвращение и контроль разубоживания руды закладочным материалом в условиях подземной добычи // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2021. № 6. С. 131-141.
Харисов Тимур Фаритович, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., [email protected], Россия, Екатеринбург, Институт горного дела УрО РАН,
Балек Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, вед. науч. сотр., [email protected], Россия, Екатеринбург, Институт горного дела УрО РАН,
Озорнин Иван Леонидович, зав. лаб., ozornoy 7 7@ mail.ru, Россия, Екатеринбург, Институт горного дела УрО РАН,
Масальский Николай Александрович, лаборант, nmasalskiy01@,mail.ru, Россия, Екатеринбург, Институт горного дела УрО РАН
ESTIMATE THE STRESS-STRAIN STATE OF THE PILLAR IN THE COURSE OF MINING
OPERATIONS
T.F. Kharisov, A. E. Balek, I.L. Ozornin, N.A. Masalskiy
In this work the research on determining the parameters of the guard pillar ensuring its stability in the course of the development of mining operations was carried out in two-dimensional and three-dimensional variants at different pillar widths of 20, 40, 60 and 80 m in order to assess the level of displacements and stress-strain state. Based on the obtained results, the dependence of stress-strain state change in the bottom of the protection pillar as the width of its base increases has been determined.
Key words: pillar, stress-strain state, modeling, finite element method.
Kharisov Timur Faritovich, candidate of technical sciences, art. sci. sotr., [email protected] , Russia, Yekaterinburg, Institute of Mining, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,
Balek Alexander Evgenievich, doctor of technical sciences, ved. sci. sotr., [email protected], Russia, Yekaterinburg, Institute of Mining, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,
Ozornin Ivan Leonidovich, head of the lab., [email protected], Russia, Yekaterinburg, Institute of Mining, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,
Masalsky Nikolay Alexandrovich, laboratory assistant, [email protected], Russia, Yekaterinburg, Institute of Mining, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
Reference
1. Tutanov S.K., Tutanov M.S., Tutanova M.S. Mathematical model of determining the factors affecting the stability of tselikov and chambers // Complex use of mineral raw materials. 2020. No. 3 (314). pp.15-21.
2. Chanyshev A.I., Abdulin I.M., Belousova O.E. On the loss of stability of cylindrical tselikov beyond the elastic limit // Mining information and Analytical bulletin (scientific and technical journal). 2021. No. 3. pp. 101-113.
3. Kharisov T.F., Kharisova O.D. Investigation of the stability of the massif in the process of field development in difficult mining and geological conditions // Problems of subsoil use. 2019. No. 2 (21). pp. 79-87.
4. The stress-strain state of an underground security object (tselika) / I.F. Mariychuk, I.V. Kupenko, D.D. Vygovskaya, N.D. Badger // Problems of mountain pressure. 2020. No. 12 (38-39). pp. 65-79.
5. Lipnitskiy N.A., Ustinova Ya.V. Algorithm for calculating the width of the inter-column column during the development of a potash salt deposit by various mining equipment from the point of view of reducing operational losses // Mining equipment and electrome-chanics. 2022. No. 1 (159). pp. 9-18.
6. Geomechanical substantiation of the stability of preparatory workings under the combined influence of cleaning operations and the natural stress field / G.L. Feofanov, V.G. Byankin, M.V. Shvankin, A.V. Bondarev // Mining information and Analytical Bulletin (scientific and Technical journal). 2018. No. S48. pp. 103-112.
7. Substantiation of the parameters of the targets during the development of inclined coal seams in the mines of Quang Ninh province of Vietnam / V.N. Nguyen [et al.] // Mining sciences and technologies. 2022. Vol. 7. No. 2. pp. 93-99.
8. Makarov A.B. Practical geomechanics. Manual for mining engineers. M.: Publishing house "Mining book", 2006. 391 p.
9. Wang M., Xu Y., Chu T. Stability control of overburden and coal pillars in the gob-side entry under dynamic pressure // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2023 P. 28-36.
10. Wang M., Cai M. Numerical modeling of time-dependent spalling of rock pillars // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 2021. P. 52-58.
11. Wang B., Dang F., Chao W. Method for determining the width of protective coal pillar in the pre-driven longwall recovery room considering main roof failure form // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2020. P. 44-50.
12. Determination of the stability of inter-core tselikov by methods of mathematical modeling / V.V. Bessonov [et al.] // Proceedings of the University. 2010. No. 1 (38) pp.52-54.
13. Thorikov A.I., Sotnikov R.O., Glinsky V.V. Computer modeling of geomechanical processes for predicting the stress-strain state during workings through a whole equal to three spans of workings // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2020. No. S22. pp. 3-13.
14. Budge M.N. Prevention and control of ore dilution by laying material in conditions of underground mining // Phy si co-technical problems of mineral development. 2021. No. 6. pp. 131-141.
