CC BY
22
УДК 622.831
DOI: 10.33764/2618-981X-2020-2-89-97
РАСЧЕТ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КРЕПИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И ОКРУЖАЮЩЕГО МАССИВА В УСЛОВИЯХ ОТРАБОТКИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ВОСТОЧНОГО КАЗАХСТАНА
Андрей Анатольевич Красновский
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)205-30-30, доп. 189, e-mail: visanta@ngs.ru
Виктор Михайлович Серяков
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией, тел. (383)205-30-30, доп. 124, e-mail: vser@misd.ru
Юрий Николаевич Шапошник
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, доктор технических наук, профессор, e-mail: shaposhnikyury@mail.ru
Денис Александрович Шокарев
ТОО «Expert PRO», F02P9C2 (070004), Казахстан, г. Усть-Каменогорск, ул. Тохтарова, 51, e-mail: D.Shokarev@expertpro.kz
Предложена постановка задачи определения напряженно-деформированного состояния крепи и породного массива вокруг выработки, пройденной в неустойчивых породах, при заполнении образовавшихся пустот фенольными смолами. Исходные параметры, приятые при расчетах, соответствуют условиям отработки рудных месторождений Восточного Казахстана. Установлен характер распределения полей напряжений в крепи и их изменение в зависимости от геометрических размеров области, заполненной фенольными смолами. Показано, что применение фенольных смол приводит к формированию равномерного давления окружающих пород на арочный участок крепи и способствует повышению ее устойчивости.
Ключевые слова: массив горных пород, выработка, неустойчивые породы, крепь, за-крепное пространство, фенольные смолы, напряженно-деформированное состояние, распределение смещений.
CALCULATION OF THE GEOMECHANICAL STATE OF MINE WORKING SUPPORT AND SURROUNDING ROCK MASS IN CONDITIONS OF MINING ORE DEPOSITS IN EAST KAZAKHSTAN
Andrey A. Krasnovsky
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383) 205-30-30, extension 189, e-mail: visanta@ngs.ru
Viktor M. Seryakov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Professor, Head of Laboratory, phone: (383)205-30-30, extension 124, e-mail: vser@misd.ru
Yuri N. Shaposhnik
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Professor, e-mail: shaposhnikyury@mail.ru
Denisi A. Shokarev
ExpertPRO LLC, F02P9C2 (070004), 51, Tokhtarov St., Ust-Kamenogorsk, Kazakhstan, e-mail: D.Shokarev@expertpro.kz
The statement of the problem of determining the stress-strain state of support and rock mass around the mine working in unstable rocks, in case of voids filling with phenol resins is proposed. The initial parameters used in the calculations correspond to the conditions of mining ore deposits in East Kazakhstan. The distribution character of stress fields in the support and their change depending on geometric sizes of the area filled with phenol resins is determined. It is shown that using phenol resins causes formation of a uniform pressure of surrounding rocks on the arch part of the support and facilitates an increase in its stability.
Key words: rock mass, mine working, unstable rocks, support, space behind the support, phenol resins, stress-strain state, displacement distribution.
На рудных месторождениях Восточного Казахстана горнотехнические условия отработки в последние годы ухудшаются из-за понижения уровня горных работ, формирования искусственных закладочных массивов, наличия зон окисления серосодержащих руд и др. Устойчивость вмещающих пород резко понижается в зонах выветривания, тектонических нарушений и на участках гидротермального изменения пород, мощность которых колеблется от нескольких метров до 100 - 150 м. Породы околорудных зон весьма неустойчивые из-за многочисленных разнонаправленных микротрещин, заполненных кальцитом, пиритом, и многочисленных зеркал скольжения. При обнажении, снятии больших нагрузок и увлажнении такие породы разуплотняются и обрушаются в горные выработки.
На подземных рудниках ТОО «Востокцветмет», таких как Артемьевский, Орловский и Иртышский, при проходке горных выработок в сложных горногеологических условиях в неустойчивых вмещающих породах для крепления выработок применяют тяжелые металлические рамные крепи с забутовкой закреп-ных пустот костровой крепью. Однако в сложных горно-геологических условиях (при неустойчивых породах) при повышенном напряженно-деформированном состоянии рамная металлическая крепь значительно деформируется, за счет обрушения пород кровли образуются «купола» довольно больших объемов, что приводит к аварийному состоянию горных выработок или необходимости проходки обгонных выработок. Опыт работы Орловской и Артемьевской шахт показал, что рамные крепи в раздробленном и сильнотрещиноватом массиве в полной мере не обеспечивают поддержание горных выработок в рабочем состоянии.
Для обеспечения высокопроизводительной, безопасной и экономичной выемки полезных ископаемых при возрастающих глубинах разработки месторождений необходимо совершенствовать технологию крепления горных выработок.
В ТОО «ВОСТОКЦВЕТМЕТ» разработана и внедрена технология ликвидации обрушений горных выработок с востановлением и последующей проходкой выработок в сложных горно-геологических условиях на шахтах рудных месторождений Восточного Казахстана. Обоснована возможность и целесообразность применения полиуретановых и вспенивающихся смол при проходке горных выработок по обрушенным породам на участках с куполообразованием, уточнены параметры технологии крепления, определены рациональные области применения различных технологий [1].
Для условий Орловской шахты проведены промышленные испытания технологии заполнения закрепных пустот с применением технологии быстрого заполнения пустот вспенивающими материалами. Подача двухкомпонентной смолы «Блокфил» в пустоты закрепного пространства производится двухком-понентным инъекционным насосом с пневмоприводом типа PGP. Вспенивающийся материал, благодаря своей жидкой консистенции, заполняет все неровности и пустоты закрепного пространства горных выработок.
Внедрение технологии забутовки закрепного пространства фенольной смолой «Блокфил» при креплении выработок рамной металлической крепью на Орловской шахте позволило заполнить все неровности и пустоты закрепного пространства горных выработок, что исключает возможность динамического нагружения крепи при обрушении пород кровли, при этом при производстве взрывных работ разрушение забутовочного материала из смолы «Блокфил» не происходило.
Разработанная и испытанная на Орловской шахте технология ликвидации пустот вспенивающейся фенольной смолой «Блокфил» с опережающей инъекцией породного массива полиуретановой смолой «Блокпур» через буроинъек-ционные анкера «Диви Дрилл» производства компании DSI и перекрепки горных выработок рамной металлической крепью позволила ликвидировать аварийную ситуацию при обрушении пород кровли и восстановить безопасные условия проходки выработок, проходимых силами АО «Во стокшахто строй».
Данная технология в настоящее время применяется и на Аремьевской шахте. Ликвидация обрушений горных пород с восстановлением и последующей проходкой выработок в сложных горно-геологических условиях на Артемьев-ской шахте позволяет безопасно и экономически выгодно восстанавливать горные выработки и продолжать проходку без организации обгонных выработок и отступлений от проекта.
Однако разнообразие горно-геологических условий, в которых проходятся выработки, значительные вариации геометрических параметров обрушений пород в кровле выработок не позволяют эффективно и корректно использовать разработанные технологии на всех участках и шахтах ТОО «Востокцветмет». Для обоснования параметров технологии ликвидации обрушений горных пород с восстановлением и последующей проходкой выработок в сложных горногеологических условиях необходима геомеханическая оценка напряженно-деформированного состояния массива на шахтах рудных месторождений Восточного Казахстана, установление особенностей распределения напряжений
в крепи и вмещающих породах при применении разработанных технологий и прогноз перераспределения напряжений при изменении горно-технических условий.
Постановка задачи
Перейдем к постановке задачи расчета напряженно-деформированного состояния крепи и вмещающих пород при применении технологии ликвидации пустот вспенивающимися фенольными смолами.
На рис. 1 приведена типичная схема предлагаемой технологии крепления горизонтальной выработки на рудных месторождениях Восточного Казахстана металлической рамной крепью с затяжкой круглым лесом.
<щ
Рис. 1. Схема нагружения металлической рамной крепи при плотном
заполнении закрепного пространства забутовочным материалом: 1 - металлическая рамная крепь; 2 - затяжка круглым лесом; 3 - забутовочный материал (фенольная смола); 4 - вмещающие породы
Здесь же приведены геометрические размеры выработки, толщина металлической рамной крепи, толщина деревянной затяжки и наиболее часто встречающиеся размеры пустот в кровле и боках выработки.
В качестве обоснованности выбора форм сечения выработок принят анализ практического опыта применения различных форм поперечного сечения выработок с учетом физико-механических свойств пород, их назначения в различных условиях проявления горного давления.
Установлено, что основными факторами, влияющим на напряженно-деформированное состояние (НДС) массива пород вокруг выработки являются параметры природного поля напряжений, характерные для месторождения и фор-
ма поперечного сечения выработки, а увеличение геометрических размеров выработки в процессе ее проходки на 5 - 15% (согласно действующей инструкции допускается отклонения на 10%) не оказывает влияние на НДС массива пород вокруг выработки. Экспериментальные работы по измерению исходного поля напряжений на рудных месторождениях Восточного Казахстана показали, что оно близко к гидростатическому. Так, например, в 2015 году было определено природное поле напряжений в южном борту транспортного орта Северного рудного тела на уровне 14 горизонта (глубина от дневной поверхности около 775 м) ориентировочно вне зоны влияния опорного давления. Результаты исследования показали, что:
- максимальными по величине являются горизонтальные тектонические напряжения с1, действующие вкрест простирания рудных зон, которые превышают вертикальную гравитационную составляющую уН в Л1 = 1.12 раза;
- вертикальные гравитационные (от веса вышележащих пород) напряжения уН являются промежуточными и составляют с2 =уН = 20.9МПа;
- горизонтальные напряжения с3, действующие по простиранию рудной зоны, являются минимальными по величине с коэффициентом бокового давления Л3 = 0.98.
На рис. 2 показана схема расчетной области с заданием на ее внешнем контуре нормальных напряжений. В случае гидростатического поля исходных напряжений Л = 1.
т
Рис. 2. Граничные условия в задаче расчета напряжено-деформированного состояния породного массива, металлической рамной крепи и забутовочного материала при плотном заполнении закрепного пространства фенольной смолой:
1 - металлическая рамная крепь; 2 - затяжка круглым лесом; 3 - забутовочный материал (фенольная смола); 4 - вмещающие породы; Л - коэффициент бокового распора; Н - расстояние до земной поверхности
При разработке математической модели деформирования горных пород в окрестности выработки геометрические параметры для выработки, крепи и деревянной затяжки были выбраны согласно схеме (рис. 1). а граничные условия - согласно рис. 2. Геометрические размеры пустот в кровле и боках выработки при расчетах изменялись.
Зависимость между напряжениями и деформациями для всех материалов принята линейной. В этом случае для ее описания достаточно двух механических характеристик материала: модуля Юнга Е и коэффициента Пуассона V [2, 3]. Их значения определялись в соответствии с данными физико-механических испытаний всех перечисленных материалов и вмещающих пород [1]. Для крепи: Е = 2 • 105 МПа, V = 0.3 ; для деревянной затяжки Е = 1 • 104 МПа, V = 0.02 ; для вмещающих пород Е = 3 • 104 МПа, V = 0.2 . Деформирование фенольных смол также описывалось упругой моделью с низким значением модуля Юнга и коэффициентом Пуассона близким к значению 0.5. В этом случае механическое поведение материла близко к поведению несжимаемой среды [4]. Такие механические характеристики для фенольных смол позволяют моделировать основную особенность их деформирования после затвердевания. В расчетах было принято Е = 0.04 МПа, v = 0.48. Для расчета исходного гравитационного поля напряжений в массиве задавались значения удельного веса у всех материалов: для крепи у = 7.85 т/м3; для деревянной затяжки у = 0.6 т/м3; для фенольной смолы у = 1.4 т/м3; для вмещающих пород у = 3 т/м3.
Процесс деформирования массива в окрестности выработки можно разбить на ряд этапов. На первом этапе, при очередном подвигании забоя, образуется часть выработки некоторой длины. На втором этапе происходит крепление этой части выработки. Как правило, крепление осуществляется на некотором отставании от очистного забоя и это дает возможность частичной разгрузки от исходных напряжений породам, находящимся в окрестности забоя. Установленный участок крепи начинает воспринимать нагрузку, в основном, при дальнейшем подвигании очистного забоя. При образовании вывалов в кровле и почве выработки, удалении обрушенных пород, заполнении свободного пространства фенольными смолами и их твердении деформирование сформированного в за-крепном пространстве забутовочного массива из фенольных смол происходит также вследствие дальнейшего подвигания очистного забоя.
Исходя из описанной схемы нагружения крепи и забутовочного массива из фенольных смол, максимальные внешние силовые воздействия на крепь и забу-товочный массив будут создаваться в условиях практически мгновенного их возведения за очистным забоем, т. е. при предотвращении разгрузки пород в окрестности забоя от исходных напряжений. В этом случае для оценки максимально возможных напряжений в горных породах и в крепи при применении технологии забутовки закрепного пространства фенольной смолой с креплением выработок рамной металлической крепью, установления характера их перераспределения в зависимости от параметров применяемой технологии достаточно рассмотреть схему плоской деформации с заданием на внешнем контуре
расчетной области усилий, соответствующих исходному напряженному состоянию массива горных пород.
Напряженно-деформированное состояние в области расчета определялось методом конечных элементов [5-7] с применением комплекса программ ANSIS. Область расчета разбивалась на конечные элементы. Явно выделялись границы между материалами с разными механическими свойствами. На них принимались условия жесткого механического контакта [8].
Для достоверности созданной конечно-элементной модели выполнен ряд тестовых расчетов. Во-первых, определено напряженное состояние однородного массива горных пород вокруг незакрепленной выработки и выработки, поддерживаемой металлической крепью. Сравнение с известными аналитическими и численными решениями показало хорошее соответствие. Во-вторых, проведены расчеты напряженно-деформированного состояния задачи с геометрией, показанной на рис. 1, при различных разбиениях расчетной области на конечные элементы. Расчеты показали сходимость решений, полученных на сетках с постепенно уменьшающимися размерами элементов.
Результаты моделирования напряженного состояния крепи и горных пород, окружающих выработку
Основное внимание при анализе напряженно-деформированного состояния крепи и окружающих выработку горных пород было обращено на характер распределения горизонтальной и вертикальной компонент тензора напряжений при различных размерах закрепного пространства в кровле выработки. На рис. 3 приведено их распределение при высоте закрепного пространства в кровле выработки 300 мм. Такая же размеры ширина области, заполняемой фенольны-ми смолами, приняты и в бортах выработки.
Общий анализ распределения компоненты cx и cy позволяет заключить,
что максимальная концентрация растягивающих напряжений cx формируется
в породном массиве несколько выше линии почвы выработки в районе контакта массива с фенольной смолой. Также значительная концентрации растягивающих напряжений образуются несколько выше линии почвы выработки в крепи со стороны, свободной от напряжений, и в деревянной затяжке около границы фенольная смола-затяжка. Максимальные сжимающие напряжения наблюдаются в породах почвы в окрестности углов выработки. Максимальные сжимающие напряжения cy формируются в породном массиве в окрестности углов
выработки. Максимальные растягивающие напряжения - в почве в окрестности границы контакта фенольная смола - деревянная затяжка.
Более детальный анализ распределения напряжений cx и cy в крепи в фе-
нольных смолах, заполняющих пустоты в кровле выработки, показывает, что в крепи максимальные сжимающие напряжения cx образуются ее в нижней части в окрестности границы, свободной от напряжений. Максимальные растягивающие напряжения формируются несколько выше зоны сжимающих напряжений.
Близкие к нулю значения отмечаются в вертикальных частях крепи. В верхней части крепи значения горизонтальных напряжений между собой практически не отличаются. В области, занятой фенольной смолой, максимальные растягивающие напряжения формируются в ее нижней части в окрестности границы с деревянной затяжкой. Максимальные сжимающие напряжения достигаются в верхней части области, расположение этой зоны концентрации по горизонтали - середина выработки; горизонтальный размер близок к половине ширины выработки.
В кровле в области, заполненной фенольной смолой, максимальные растягивающие напряжения су формируются в ее нижней части в окрестности углов
выработки около границы с деревянной затяжкой. Максимальные сжимающие напряжения достигаются в верхней части области, содержащей фенольную смолу, в середине выработки и занимают зону, имеющую по горизонтали размер, равный половине ширины выработки.
Рис. 3. Распределение горизонтальных и вертикальных напряжений в элементах крепи и во вмещающем массиве при высоте закрепного
пространства в кровле 30 см
На рис. 4 показана общая картина распределения напряжений сх и су при
высоте, области заполненной фенольными смолами в кровле выработки 100 см. Качественный характер их распределения остается таким же. Однако значения растягивающих и сжимающих напряжений в зонах их концентрации увеличиваются.
Сравнивая характер рассмотренного распределение компонент тензора напряжений с их распределением для случая нахождения в кровле выработки вмещающих пород, можно установить, что массив фенольных смол из вспенивающегося материала прочностью 0,04 МПа, равномерно распределяет нагрузку по периметру рамной крепи. Это дает возможность путем варьирования физико-механических характеристик крепи определять их оптимальные параметры для конкретных горно-геологических условий.
Рис. 4. Распределение горизонтальных и вертикальных напряжений в элементах крепи и во вмещающем массиве при высоте закрепного пространства в кровле 100 см
Таким образом, предложена постановка задачи определения напряженно-деформированного состояния крепи и породного массива вокруг выработки, пройденной в неустойчивых породах, при заполнении образовавшихся пустот фенольными смолами. Исходные параметры, приятые при расчетах, соответствуют условиям отработки рудных месторождений Восточного Казахстана. Проведен анализ полученных результатов. Установлен характер распределения полей напряжений в крепи и их изменение в зависимости от геометрических размеров области, заполненной фенольными смолами. Показано, что применение фенольных смол приводит к формированию равномерного давления окружающих пород на арочный участок крепи и способствует повышению ее устойчивости.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Крупник Л. А., Шапошник Ю.Н., Шокарев Д. А., Шапошник С.Н., Конурин А.И. Совершенствование технологии крепления выработок на Артемьевской шахте ТОО «Во-стокцветмет» // ФТПРПИ, № 6, 2017. - С. 140 - 148.
2. Борисов А. А. Механика горных пород и массивов. - М.: Недра, 1980. - 360 с.
3. Витке В. Механика скальных пород. М., "Недра", 1990, - 440 с.
4. Турчанинов И.А., Иофис М. А., Каспарьян Э В. Механика горных пород. - Л.: Недра, 1989. - 448 с.
5. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М., "Мир", 1975. - 539 с.
6. Амусин Б.З., Фадеев А.Б. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики. М: Недра, 1975. - 185 с.
7. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М: Недра, 1987, - 224 с.
8. Серяков В.М. Геомеханическая оценка технологий поэтапной отработки и крепления поперечных сечений протяженных выработок // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - Т. 5., № 2. - 2018. - С. 124-128.
© А. А. Красновский, В. М. Серяков, Ю. Н. Шапошник, Д. А. Шокарев, 2020
