Расчет параметров крепи выработки с учетом пластических деформаций породного массива Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Рис. 4. Модели месторождений по удельному расходу взрывчатых веществ (слева - тр. «Юбилейная», справа - тр, «Нюрбинская»)

Набор серий планов по объемному весу, крепости, плотности и типизации пород дает возможность их применения для оптимизации параметров буровзрывных работ. Для этого создается блочная модель месторождения по удельному расходу взрывчатых веществ, учитывающая расчетные значения физико-механических свойств и литологический состав горных пород и кимберлитов (рис. 4).

Разделение карьерного поля по взрываемости (по удельному расходу ВВ) позволяет применять

дифференцированные, согласно физико-механическим свойствам горных пород, параметры БВР.

Применение компьютерных технологий в проектировании открытой разработки позволяет существенно оптимизировать рабочее пространство карьеров и получить оптимальный баланс, учесть различные варианты отработки месторождения.

Учет технико-экономического риска на стадии проектирования работ дает возможность рассмотреть различные варианты отработки месторождения с точки зрения выбора параметров, оптимизирующих прибыль предприятия.

УДК 622.023.42

Расчет параметров крепи выработки с учетом пластических деформаций породного массива

М.М. Иудин

Рассмотрено влияние тепловых факторов на формирование пластической области в горных породах. Предложены способы расчета учета пластических деформаций на параметры взаимодействия крепи выработки и породного массива.

Influence of thermal factors on formation of plastic area in a mined rocks is investigated. Ways of calculation of the account ofplastic deformations on parameters of opening timbering developments and mined rocks are offered.

Пластическое деформирование мерзлых пород, ввиду разнообразия типов структуры, текстуры и физико-механических свойств многофазной системы, является сложным явлением для прогнозирования при взаимодействии породного массива с

ИУДИН Михаил Михайлович, с.н.с. ИГДС СО РАН, к.т.н.

крепью горной выработки. Из всех компонентов мерзлой породы наиболее подверженным пластическому деформированию считается лед. Условия протекания деформационных процессов в чистом льде как отдельном твердом теле приводят в зависимости от уровня напряженного состояния к смене механизмов деформирования льда. Наличие большого количества размеров и форм кристаллов

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ ВЫРАБОТКИ С УЧЕТОМ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ

ПОРОДНОГО МАССИВА

льда предполагает множество путей реализации механизмов деформирования и их развитие от уровня действующих напряжений в породном массиве.

Пластическая деформация в породном массиве может происходить без нарушения сплошности минерального скелета горной породы. При этом происходит увеличение объема вещества в твердом теле. Это связано с процессом роста дефектов (дислокаций) кристаллической решетки. Для многолетнемерзлых пород пластические деформации должны иметь температурную зависимость, т.к. механические свойства пород (упругие, пластические, прочностные) определяются температурным состоянием (мерзлым или талым). Увеличение количества дефектов будет вызываться изменением механических свойств минерального скелета горной породы в приконтурном слое массива.

Изучение напряженно-деформированного состояния породного массива с применением методов теории упругости и пластичности на основе механизма совместного деформирования позволяет объяснить многие проявления горного давления в крепи вертикального ствола. Анализ ранее выполненных исследований показывает, что наиболее значимые и приемлемые для практики результаты по прогнозу нагрузок на крепь выработки получаются при рассмотрении процессов взаимного деформирования породного массива и конструкции крепи.

В многолетнемерзлом породном массиве при эксплуатации горной выработки образуется зона протаивания, а также происходит формирование пластической области в приконтурном слое породного обнажения. Для задачи, когда размеры зоны протаивания выходят за пределы пластической области, а этот случай является наиболее распространенным в практике эксплуатации выработки, необходимо исследовать влияние размеров зоны протаивания и изменение модуля упругости талых пород на величину радиуса пластической области. Анализ результатов исследований показывает, что наиболее существенное влияние на формирование пластической области в породном массиве вокруг выработки оказывают размеры зоны протаивания. При малых размерах зон протаивания наблюдаются максимальные размеры пластической области. Упругая область в талой зоне породного массива является переходной зоной, и с увеличением своей толщины переходная зона выступает в роли демпфирующего слоя, что приводит к понижению уровня напряжений вокруг выработки и соответ-

ственно к уменьшению радиуса пластической области. Влияние изменения модуля упругости пород в талом состоянии неоднозначно. Во-первых, данный фактор невозможно выделить в отдельный вид, чтобы определить ее влияние на размеры пластической области. Этот фактор вместе с размером зоны протаивания оказывает совместное воздействие на толщину зоны пластических деформаций, Во-вторых, все же выделяется определенная зона протаивания с размерами до 3-х радиусов выработки, где больше сказывается влияние коэффициента упругости талых пород.

В задаче, когда пластическая область переходит зону протаивания, наибольшее влияние переходная зона оказывает на величину дополнительных перемещений в пластической области. Эта тенденция должна сохраниться и при наличии зоны протаивания. Расчеты подтверждают данный вывод Кроме того, следует отметить другой интересны» результат. При небольшой разнице размеров зов протаивания и пластических деформаций перемещение породного обнажения в зависимости от величины коэффициента упругой неоднородное^ (отношение модуля упругости мерзлых и тальи пород) носит сложный характер. Например, пр« небольших величинах этого коэффициента, близ ких к единице, кривая зависимости перемещеню породного обнажения плавно уменьшается с уве личением радиуса протаивания. А при возраста нии коэффициента упругой неоднородности кри вая постепенно поднимается вверх и затем опус кается вниз с характерной точкой перегиба. Объяс нить этот результат можно действием совместно го влияния коэффициента упругой неоднородное ти и размера зоны протаивания на распределен» перемещений в области пластических деформація

Данные закономерности формирования пласті ческой области в породном массиве вокруг выра ботки в криолитозоне должны существенно ВЛ! ять на нагруженность постоянной крепи горня выработки в процессе ее эксплуатации. Принци совместного деформирования системы «крепь вь работки - массив горных пород» дает возможное! учитывать влияние новых геомеханических сит аций, возникающих при эксплуатации горной ві работки, на расчет параметров крепи, при которь происходит рост пластических деформаций. В о( нове принципа лежит условие контактного дефо| мирования приконтурного слоя массива горни пород и конструкции крепи вертикальной выраби ки. Принцип совместного деформирования позі ляет комплексно учитывать различные виды дефо

маций породного массива, которые можно разделить на вызванные собственно проведением вертикального ствола и обусловленные осложненными горно-геологическими, геокриологическими и горно-техническими условиями. Это дает возможность использовать комбинированный способ расчета составляющих системы взаимодействия.

Тогда влияние роста пластических деформаций в процессе эксплуатации выработки можно учитывать через условие совместности деформаций, применяя принцип суперпозиции:

исо(Р)=и0+и(Р), (1)

где и<я(Р) - смещение породного контура к моменту установления статического равновесия в системе «крепь - массив»; С/0 - начальные смещения породного контура до момента ввода крепи в работу; 1}(Р) - смещение внешнего контура крепи при статическом равновесии в системе «крепь - массив».

Выражение (1) состоит из аддитивных слагаемых. Следовательно, компоненты смещений, слагающих уравнение, можно рассчитывать раздельно - это позволяет для каждого элемента предлагать самостоятельные, независимые расчетные схемы и постановки задачи. В этом смысле условие (1) является универсальным по своим возможностям решать прикладные задачи по прогнозу нагрузок на крепь выработки при допредельном, запредельном деформировании горных пород и даже в состоянии их руинного разрушения.

По характеру деформирования горных пород основные режимы взаимодействия крепи выработки и породного массива разделяются следующим образом:

- заданной нагрузки, когда крепь выработки нагружается весом объема сползания разрушенных пород;

- заданной деформации, когда реактивное сопротивление крепи практически не влияет на величину перемещений объема приконтурного слоя породного массива;

- взаимовлияющей деформации, когда смещения породного массива заметно зависят от сопротивления и перемещения крепи, как конструкции.

Учет роста пластических деформаций по условию (1) можно осуществить двумя способами.

С одной стороны, можно рекомендовать накапливать расчетные значения пластических деформаций в компоненте условия (1), характеризующие смещение породного контура к моменту установления статического равновесия в системе «крепь -массив»:

№э(Р) = Щ . (2)

Тогда параметры взаимодействия будут определяться непосредственно из условия (1). В режиме взаимовлияющей деформации породного массива слагаемую условия (1), относящуюся к величине смещения контура поверхности крепи выработки, представим в виде:

ЩР) = ВР,

где Р - расчетная нагрузка на крепь выработки, определяемая как результат совместного деформирования породного массива и крепи; В - комплексная переменная, характеризующая породный массив, определяется из решения геомеханической задачи.

Условие (2) модифицируем следующим образом:

и«*Р) = Щ = &-Р)Мр

где <2 — контактное напряжение, действующее на границе зоны протаивания в породном массиве; А - коэффициент, определяемый из решения геомеханической задачи на каждом этапе расчета пластических деформаций.

Тогда параметры взаимодействия породного массива и крепи выработки по условию (1) составят:

Р = {О1Л-и0)1(В + ЪА).

Анализ выражения показывает, что с накоплением пластических деформаций в породном массиве происходит увеличение значений расчетной нагрузки на крепь выработки. Причем амплитуда увеличения нагрузки будет определяться величиной исходной силовой нагрузки в породном массиве. Если взаимодействие происходит в режиме заданной деформации, то можно получить аналогичным образом расчетную нагрузку и в этом случае:

Р = (1Аги0)/В.

Второй способ заключается в возможности накапливать пластические деформации в компоненте начальных смещений породного контура до момента ввода крепи в работу:

и0 = щ.

В данном случае необходимо при каждом сложении пластических деформаций определять параметры взаимодействия породного массива и крепи выработки. Например, для режима заданной деформации породного массива расчетная нагрузка на крепь выработки определится следующим образом:

Р= (их- Ш)/В.

Тогда конечная расчетная нагрузка на крепь выработки определится суммированием промежуточных значений параметров взаимодействия на каждом этапе расчета:

Рк =1Л.

общ. I

расчета параметров взаимодействия при совместном деформировании многолетнемерзлого породного массива и крепи выработки, учитывающие, что породный массив на протяжении длительного периода эксплуатации выработки, в зависимости от сезонных изменений теплового режима выработки, имеет тенденцию постепенно накапливать пластические деформации в приконтурной области породного обнажения.

___ _________

УДК 662.74:628.56

Экологические аспекты брикетирования углей

Г. И. Петрова, В.А. Михеев, Л.Б. Моисеев

Статья посвящена экологическим аспектам брикетирования углей. Исследовалась механическая прочность брикетов, полученных из бурых углей Ленского бассейна с добавлением гуминовых веществ и экологически чистых отходов деревообрабатывающей промышленности (древесных опилок). Показана возможность производства экологически чистых топливных брикетов из бурых углей Ленского бассейна.

Article dedicated of the ecological aspects ofcoal briquetting. Breaking strength of briquettes derived from brown coals oj Lensk basin with addition of humus substances and ecological clean withdrawals of wood treatment industry (sawdust) is investigated. The possibility ofproduction of ecological clean fuel briquettes from brown coals of Lensk basin is shown.

Основные экологические аспекты окусковыва-ния (облагораживания) ушей следует рассматривать со следующих точек зрения:

а) экологическая оценка добычи угля;

б) экологическая оценка сырья и его влияние на выбросы вредных веществ при сжигании;

в) оценка экологичности, в частности, степени канцерогенное™ связующих материалов и влияния состава угольных брикетов на выбросы вредных веществ при сжигании;

г) экологическая оценка технологии производства о кускованного топлива.

Особо следует отметить получение брикетов из твердых отходов добычи и обогащения угля как меру защиты природной среды (утилизация), т.е. технологии и производства, связанные с утилизацией отходов.

Перспективность сырья для производства полноценного бытового топлива методом брикетирования оценивается, прежде всего, по показателям

ПЕТРОВА Галина Ильинична, в.н.с. ИГДС СО РАН, д.т.н.; МИХЕЕВ Валерий Александрович, с.н.с. ИГДС СО РАН, к.т.н.; МОИСЕЕВ Лаврентий Борисович, м.н.с. ИГДС СО РАН

качества (теплота сгорания, зольность, гранулометрический состав и др.) и минеральному составу. Не менее важной является экологическая оценка качества сырья и продуктов его сжигания. Поэтому в Институте угля и углехимии СО РАН (ИУУ СО РАН) в настоящее время активно ведутся работы по созданию геоинформационных систем (ГИС) и ГИС-проекта геолого-промышленной карты Кузбасса [1], которая содержит информацию по геохимии угленосных объектов Кузнецкого бассейна [2-4], в том числе - по примесям в углях как ценных, так и экологически опасных химических элементов. Трудно переоценить значимость таких проектов для производственно-экономического развития любого региона.

Интересной представляется экологическая оценка техногенного сырья и многоцелевой подход при утилизации отходов углеобогащения, предложенный Санкт-Петербургским государственным горным институтом - СПГГИ (ТУ) и ОАО «Воркутауголь». Ухудшение качества добываемого угля (повышение зольности, засорение вмещающими породами) обуславливает устойчивую тенденцию к увеличению объемов твердых отходов при обо-

В этом способе учета пластических деформаций сложность решения задачи заключается в правильном определении компоненты и<Х>(Р) условия совместности деформаций (1). Те приемы, что известны в геомеханике, будут неприемлемы в рассматриваемом варианте, так как при каждом этапе расчета возможно различное толкование компоненты и способа ее определения.

Таким образом, предлагаются разные методы