CC BY
26
1. при проектировании подобных дробильных комплексов необходимо по возможности располагать их вдоль действия максимальных первоначальных сжимающих напряжений;
2. расчёт параметров крепи дробильных комплексов производить с учётом величины
первоначальных напряжений, действующих в массиве горных пород;
3. проходку любых выработок из камер дробильного комплекса осуществлять после выполнения специальных мероприятий направленных на снижение деформаций существующей крепи.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Боликов В.Е., Балек А.Е. Основы проектирования комплекса камерных выработок железорудных шахт. //Проблемы горного дела: Сб. научн. тр. / ИГД УрО РАН - Екатеринбург. - 1999, с.160-169.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------
Боликов В.Е. - доктор технических наук, главный научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН. Сашурин А.Д. - доктор технических наук, зав. лабораторией, Институт горного дела УрО РАН.
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
ДИССЕРТАЦИИ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
к =5 £ £ 3 ГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИ ЧТУ им. Г.В. ПЛЕ АНОВА
БОНАМУ Обоснование режима открытых горных
Гата работ при малоотходной эксплуатации ма-
Бернар ломощных крутопадающих месторожде-
ний
к. т. н
-----Ф
■V-----
---------------------------------------- © А.Е. Балек, 2005
УДК 622.831.3 А.Е. Балек
УПРАВЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННЫМ СОСТОЯНИЕМ СКАЛЬНОГО МАССИВА ПУТЕМ РЕГУЛИРУЕМЫХ ПОДВИЖЕК КОНСОЛИДИРОВАННЫХ ГЕОБЛОКОВ *
Семинар № 3
ктуальность обеспечения устойчивости подземных выработок требует разработки более эффективных технологий управления напряженно - деформированным состоянием их конструктивных элементов. Анализ современного состояния проблемы свидетельствует, что несмотря на значительные успехи и достижения отечественных и зарубежных геомехаников в этом направлении еще имеются существенные резервы, способные вывести данную область знания на качественно новый уровень. В частности, до сих пор вне практического использования оставались процессы статического разрушения и запредельного деформирования окружающего выработку блочного скального массива, происходящие в форме разнонаправленных подвижек его структурных элементов вследствие воздействия техногенного поля статических напряжений, формирующегося в процессе ведения горных работ. Даже в методах, направленных на искусственное нарушение сплошности деформируемой среды, процессы запредельного деформирования не рассматривались, а учитывался лишь конечный результат разгрузки от предельных напряжений. Существующие методики геомеханического районирования массива также практически не учитывали изменений его напряженно- деформированного состояния, происходящих вследствие подвижек иерархических структурных блоков. Такое положение явилось следствием недостаточности существующих знаний о закономерностях запредельных деформационных процессов, протекающих в реальных иерархически блочных массивах скальных горных пород. Для разрешения указанной проблемы в ИГД УрО РАН был выполнен комплекс работ по выявлению этих закономерностей, построение адекватной модели механического состояния деформируемого массива и разработке на ее основе новых методов управления горным давлением.
Анализ геотехнологических и геомеханиче-ских условий подземной разработки рудных месторождений позволил выявить их типичные особенности, с учетом которых были выполнены аналитические исследования по выделению факторов, определяющих механическое состояние подземных выработок в иерархически
блочном скальном массиве. Анализ современных экспериментальных данных о процессах статического деформирования и разрушения скальных пород показал, что ключевым фактором, определяющим качественные и количественные характеристики деформационного процесса на запредельных стадиях, является иерархически блочное структурное строение среды, параметры которого при этом сами зависят от динамики деформирования и разрушения породного массива под действием техногенного поля статических напряжений, формирующегося вокруг горных выработок. На основании сравнительного анализа большого числа натурных данных о количественных характеристиках иерархически блочного строения реальных массивов скальных горных пород и экспериментально установленных критериев применимости геомеханических моделей было сделано заключение: с одной стороны - о практической невозможности построения полностью континуальной модели запредельного деформационного процесса, вследствие необходимости учета дискретности деформируемой иерархически блочной среды, и с другой стороны - о практической невозможности построения полностью дискретной модели, вследствие трудности задания граничных условий и деформационных характеристик для всего огромного множества структурных блоков и неоднородностей, формирующих породный массив в окрестностях реальной горной выработки.
В предложенном решении проблемы выделенные особенности техногенного поля напряжений и деформаций, которые прежде являлись факторами, усложняющими построение геомеханической модели, выступили базой для дискретизации деформационного процесса. Основная идея заключалась в использовании для управления напряженным состоянием при запредельном деформировании скального массива явления диссипативного структурирования, проявляющегося в образовании консолидированных породных блоков, подвижки которых вносят существенную дискретизацию в поле техногенных напряжений и деформаций
и, таким образом, позволяют вводить поправки в граничные условия, определяющие парамет-
*Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 05-05-64132), Совета по грантам президента РФ и поддержке ведущих научных школ (грант НШ - 1258.2003.3)
ры механического состояния упругой континуальной среды.
В геомеханике до настоящего времени изучение феномена самоорганизации блоковых породных структур в натурных условиях ограничивалось, главным образом, пространственными и временными масштабами геофизических исследований: при взрывных и вибрационных воздействиях на массив. Между тем логично было предположить, что диссипативное структурирование блочных массивов скальных горных пород должно проявляться и на более крупномасштабных пространственно-
временных уровнях, в том числе и при энергетическом воздействии техногенного поля статических напряжений, формирующегося вокруг подземных выработок, выработанных пространств и зон обрушения шахт в процессе ведения горных работ.
Принятие гипотезы о наличии на запредельных стадиях деформирования иерархически блочных скальных массивов явления диссипативного структурирования обусловило генетическую взаимосвязь процессов формирования вторичных блоковых структур с параметрами внешнего энергопоступления, определяемого изменениями напряженного состояния среды. В таких условиях процессы структурирования проявляются в форме разнонаправленных подвижек его отдельных объемов (консолидированных блоков), вносящих дифференциацию в поле техногенных напряжений и деформаций на различных масштабных уровнях, что является значимым фактором, влияющим на устойчивость подземных выработок. Этот фактор позволил дискретизировать деформационный процесс на базе ограниченного числа основных пространственно-временных уровней (источников) формирования техногенного поля статических напряжений. Для условий подземной разработки рудных месторождений было выделено два таких источника, а именно:
- поле, формирующееся вокруг рассматриваемой выработки в процессе ее проходки или выемки прочих породных объемов (аналогичных масштабов) в прилегающем массиве;
- поле, формирующееся вокруг зоны обрушения шахты в процессе выемки рудной залежи системами с обрушением.
На этом основании составлена геомеха-ническая модель, учитывающая дискретизацию деформационного процесса на трех иерархических масштабных уровнях, отра-
жающих процессы консолидации породных блоков: на 1-м уровне - в области влияния зоны обрушения шахты; на 11-м уровне - в области влияния рассматриваемой выработки; на Ш-м уровне - в приконтурном массиве выработки. В отличие от дискретных гео-механических моделей, базирующихся на иерархии геометрических параметров структурных блоков, выделена иерархия напряжений и деформаций. Напряженное состояние на каждом иерархическом уровне складывается из суммы полей напряжений: напряжений предшествующего (более крупномасштабного) уровня и дополнительных напряжений, обусловленных техногенными деформациями массива на рассматриваемом уровне, в которых и предложено учитывать процессы запредельного деформирования путем внесения в параметры упругой континуальной среды соответствующих поправок на процессы блоковых подвижек. В общем виде модель можно записать в следующей форме:
- первоначальное напряженное состояние нетронутого массива (граничные силовые условия 1-го масштабного уровня)
т° = г° + дг° (1)
1 1 грав 1Л1 тект?
- 1-й масштабный уровень, определяющий напряженное состояние массива в окрестностях рассматриваемой подземной выработки (граничные условия 11-го уровня)
Т = 7 + ДТ1, (2)
- 11-й масштабный уровень, определяющий напряженное состояние приконтурного массива выработки (граничные условия Ш-го уровня)
а0п = а'0 + Дап0, (3)
- Ш-й масштабный уровень, определяющий устойчивость рассматриваемого участка породного обнажения контура выработки
|°еП| < |[аш]|, (4)
где 70 - тензор напряженного состояния нетронутого массива, МПа; Т°грав, ДТ°тект - составляющие 7°, соответственно, гравитационная и тектоническая, МПа; Г1 - тензор напряженного состояния массива в районе рассматриваемой выработки, МПа; ДТ1 - добавочная составляющая Г1, обусловленная техногенными деформациями массива вследствие образования и развития зоны обрушения, МПа; Дапе - добавочные максимальные главные нормальные напряжения, концентрирующиеся на рассматри-
ваемом участке приконтурного массива вследствие проходки выработки, МПа; а'е - напряжения, действовавшие там в том же направлении в отсутствие выработки, МПа; апе - суммарные главные нормальные напряжения, действующие по касательной к контуру породного обнажения выработки, МПа; [а111] - предел длительной прочности рассматриваемого участка обнажения приконтурного массива выработки, МПа.
Подтверждение принятой гипотезы и выявление характерных особенностей и параметров запредельного напряженно- деформированного состояния скального блоч-ного массива, определяющих расчетные поправки на подвижки консолидированных геоблоков, было осуществлено путем экспериментально - аналитических исследований, проведенных на железорудных месторождениях Уральского региона. Полученный комплекс натурных данных подтвердил обоснованность дискретизации деформационного процесса на трех иерархических масштабных уровнях, отражающих геометрические параметры консолидированных блочных структур, взаимно смещающихся в процессе запредельного деформирования породного массива под воздействием горных работ.
Натурные исследования на больших (1-й масштабный уровень) пространственно- временных базах, проведенные в условиях низкомодульного иерархически блочного скального массива ш. "Центральная" Донского ГОКа (г. Хромтау, Казахстан), а также в условиях высокомодульного массива в окрестностях крупномасштабной зоны обрушения ш. "Северопес-чанская" Богословского РУ (г. Краснотурьинск, Свердловская обл.) показали, что запредельное статическое разрушение и деформирование скального массива в зоне влияния горных выработок происходит в соответствии с моделью термодинамически открытой неравновесной (диссипативной) системы, процессы структурирования которой проявляются в следующих формах: пространственных - в формировании консолидированных геоблоков, рывкообразно смещающихся относительно друг друга; временных - в знакопеременности этих смещений. Размеры смещающихся породных структур определяются геометрическими параметрами зоны предельных напряжений, формирующейся вокруг горных выработок, что для условий подземных выработок большого сечения составляет порядка нескольких метров, а для
крупномасштабных зон обрушения - десятков и сотен метров при мощности междублоковых участков массива в 10-20 и более метров. Таким образом, граничные условия 11-го иерархического уровня складываются из первоначальных напряжений нетронутого массива и дополнительных, обусловленных техногенными процессами диссипативного структурирования, а значит - напряженно - деформированное состояние породного массива в окрестностях подземной выработки зависит от ее местоположения в системе подвижных диссипативных структур.
Путем сопоставительных экспериментально- аналитических исследований установлено, что экстремальные значения техногенных деформаций скального массива Де'3 в условиях блоковых подвижек вне зависимости от гео-технологической и геомеханической ситуации находятся в практически линейной (достоверность аппроксимации Я2 = 0,6 - 0,9) взаимосвязи с аналогичными параметрами, определяемыми решением упругой задачи. Из сопоставительной оценки по более чем 2500 расчетным данным и соответствующим им фактическим, полученным путем натурных замеров деформаций реперных интервалов в течение 28 лет на различных участках горного массива в окрестностях зоны обрушения, выявлены следующие соотношения:
- при расположении рассматриваемого породного объема в пределах консолидированного геоблока
Де!3(кб) = (0,5 Де13(уПр) ) ± 0,001, (5)
- при расположении рассматриваемого породного объема в пределах междублокового участка
Д^3(мб) = (3 Д^3(упр) ) ± 0,001, (6)
где Д8!з(кб) - фактические экстремальные значения деформации для консолидированного геоблока, с учетом максимальной амплитуды флуктуационной изменчивости; Де13(мб) - то же для междублокового участка; Де13(упр) - расчетные значения деформации упругой континуальной среды.
Граничные условия Ш-го иерархического уровня слагаются из концентрации в континуальной среде приконтурного массива выработки напряжений 11-го уровня и дополнительных напряжений, обусловленных техногенными подвижками прилегающих геоблоков. Численное математическое моделирование типовых геотехнологических ситуаций показало, что
условия перехода приконтурного массива подземных выработок большого сечения, в частности - очистных камер, в запредельное напряженно - деформированное состояние характеризуется значительной неравномерностью концентрации напряжений, вследствие чего процессы запредельного деформирования при-контурного массива первоначально локализуются на ограниченных его участках. Подвижка же геоблоков окружающего горного массива, приводя к перераспределению этих напряжений, способна обеспечить на критических участках контура выработки смену знака и направления экстремальных главных напряжений приконтурного массива и, соответственно, предотвратить его разрушение и переход в запредельное состояние на Ш-м масштабном уровне. Это может быть достигнуто за счет изменения направления реакции противодействия поддерживающего целика, прилегающего к выработке, для чего необходимо, чтобы граница между подвигающимися геоблоками пересекла целик под определенным углом.
Вышепредставленные положения были подтверждены инструментальными исследованиями, проведенными в натурных условиях ш. "Северная" Гороблагодатского РУ (г. Кушва, Свердловская обл.). Установлено, что переход в предельное состояние приконтурного породного массива очистных камер первоначально происходит на локальных участках, где в процесс разрушения и запредельного деформирования вовлекаются блочные структуры размерами порядка дециметров. Геометрические параметры и местоположение этих участков, а также направление реакции противодействия поддерживающих целиков даже в условиях предельного состояния последних с достаточной для решения рассматриваемых практических задач точностью соответствовали модельным представлениям о деформировании линейно - упругой континуальной среды (коэффициент корреляции между инструментально замеренными и расчетными деформациями приконтурного масНшащоиашредложенной геомеханической модели и выявленных закономерностей запредельного напряженно - деформированного состояния были разработаны новые методы управления устойчивостью подземных выработок, предусматривающие учет и регулирование
процессов блоковых подвижек на каждом иерархическом масштабном уровне.
Для 1-го уровня предложены следующие мероприятия:
1. Оптимизация расположения выработки в системе диссипативных структур (консолидированных геоблоков), случайным образом сформировавшихся вокруг зоны обрушения в процессе ведения горных работ. В расчетных схемах, определяющих устойчивые параметры выработки и ее крепления, дополнительные техногенные деформации учитывают в соответствии с выражениями (5) или (6), в зависимости от проектного местоположения выработки.
2. Минимизация приращений техногенных статических напряжений горного массива в районе рассматриваемой выработки путем регулирования последовательности выемки рудного тела. Мероприятие направлено на минимизацию амплитуды флуктуационной изменчивости экстремальных значений дополнительных техногенных деформаций Дє'3 и недопущение изменений сложившейся конфигурации диссипативных блоковых структур. В большинстве геотехнологических ситуаций предлагаемая методика управления горным давлением сводится к обеспечению плавного изменения формы и размеров зоны обрушения за счет последовательного порядка отработки залежи - без оставления и последующей выемки целиковых и резко выступающих участков массива.
На П-м масштабном уровне в условиях очистных камерных выработок предложено управлять подвижками породных объемов прилегающего массива путем создания ориентированных плоскостей его ослабления (плоских трещин). Плоскости трещин, пересекающие прилегающий к рассматриваемой камерной выработке поддерживающий целик, целенаправленно ориентируют таким образом, чтобы под действием напряжений окружающего массива происходила бы подвижка консолидируемых таким образом геоблоков в нужном направлении на требуемую величину. В результате обеспечивается целенаправленное изменение напряженного состояния приконтурного массива.
Для обеспечения возможности управления горным давлением в различных геотехнологи-ческих ситуациях был разработан и защищен авторскими свидетельствами [1 - 3] ряд типовых конструктивных схем расположения в целике плоскостей ослабления (конструкции податливых поддерживающих целиков), различающихся числом подвижных породных объемов и направлением их подвижек. Для иллюстрации принципа их действия на рисунке приведена конструкция [1], предусматривающая подвижку трех геоблоков по трещинам 1,
2, 3, имеющих значение, соответственно, вспомогательных и основной плоскостей.
Условия подвижек:
- по вспомогательной трещине 1: sin 5 > sin Ф + F i/Pi (7);
- по вспомогательной трещине 2: sin 5 > sin
Ф + F2 / P2 (8);
- по основной трещине 3: у - ф + 90° > в >
V (9),
где в - угол наклона плоскости основной трещины, град.; 5 - угол между плоскостями вспомогательных трещин, град.; ф - угол трения горного массива по плоскостям трещин, град.; у - угол наклона вектора удельной нагрузки на целик и, соответственно, удельной реакции N его противодействия, град.; F1, F2 - компонента удельной нагрузки на целик, действующая в направлении параллельном плоскости вспомогательной трещины, соответственно
- первой и второй, МН/м; P1, P2 -компонента удельной нагрузки от веса обрушенных пород, действующая в направлении параллельном плоскости вспомогательной трещины, соответственно
- первой и второй, МН/м;
При подвижке породных объемов по трещинам происходит изменение величины и направления вектора удельной реакции N противодействия целика до тех пор пока он не окажется в положении N': когда угол между ним и перпендикуляром к плоскости основной трещины сравняется с углом трения ф. В результате, составляющие Ni и Nn изменятся, и новые величины их составят:
N'1 = N sin (у - в) cos (а + в + ф) / cos ф (10);
N'n = N sin (у - в) sin (а + в + ф) / cos ф (11),
где N'i - нормальная составляющая удельной реакции N' податливого целика, действующая перпендикулярно плоскости кровли камеры после подвижки геоблоков по плоскостям трещин, МН/м; N'n - то же - касательная составляющая, действующая параллельно плоскости кровли, МН/м; а - угол наклона плоскости кровли камеры, град.
Вследствие блоковых подвижек происходят требуемые изменения напряженного состояния приконтурного массива. В рассматриваемом примере это - сжатие приконтурного массива кровли нижележащей камеры, компенсирующее действовавшие там в направлении касательном к ее контуру растягивающие напряжения.
Новая методика управления горным давлением позволила вероятностный процесс запредельного блокового деформирования сделать детерминированным, поддающимся инженерному расчету с использованием модели деформирования упругой континуальной среды. При моделировании напряженного состояния системы смещения геоблоков имитируют через задание на контуре выработанного пространст-
ва силовой нагрузки, распределенной на ширине поддерживающего целика. Для этого в качестве управляющего воздействия используют составляющие N и N реакции противодействия целика, определяемые из выражений (10) и (11). Параметры целика и углы наклона плоскостей трещин также определяют из решения задачи деформирования упругой континуальной среды с учетом выражений (7-9) и прочностных характеристик породного массива на сжатие и сдвиг. При этом учитывается возможность нарушений краевых частей целика в процессе подвижки геоблоков по плоскостям искусственных трещин.
Создание ориентированных плоскостей ослабления породного массива в принципе возможно различными способами. На современном этапе развития горной техники наиболее рационально применять камуфлетное взрывание скважинных (шпуровых) зарядов, размещенных в одной плоскости. Этот способ, аналогичный известной в горной практике технологии предварительного щелеобразования, сравнительно дешев и прост в реализации и дает практическую возможность создавать плоские трещины шириной в несколько миллиметров, заполненных мелкораздробленным материалом. Последнее обстоятельство позволяет снять вопросы относительно влияния углов ди-латансии, обусловленных неровностями берегов трещины, и при проведении расчетов динамики подвижки геоблоков использовать в выражениях (7 - 11) табличный угол ф внутреннего трения породы (руды) в образце.
На Ш-м иерархическом уровне взаимные смещения мелкомасштабных (дециметровых) блоковых структур, происходящие на критических локальных участках породного обнажения, с которых начинаются общие процессы разрушения и запредельного деформирования приконтурного массива, нарушают целостность контура выработки. Предложено искусственно повышать на таких участках уровень
1. А.с. 1508645 СССР, Е 21 с 41/06. Податливый поддерживающий целик/ Балек А.Е. СССР.- № 4345690, заявлено 18.12.87, опубл. 27.05.2000 Офиц. бюл. № 15// Изобретения, полезные модели.- 2000.-№ 15.- С. 469.
2. А.с. 1293340 СССР, МКИ Е 21 с 41/06. Податливый поддерживающий целик / Зубков А. В., Балек А.Е. СССР. - № 3965031, заявлено 14.10.85, опубл. 28.02.87 Бюл. № 18// Открытия, изобретения. - 1985. - № 8. - С. 133.
междублокового сцепления массива путем штангового крепления. Мероприятие позволяет предотвратить развитие локальной зоны запредельного деформирования и, соответственно, масштабное разрушение контура выработки.
Границу зоны ожидаемого разрушения породного обнажения и требуемый уровень меж-дублокового сцепления определяют путем решения упругой задачи, где в качестве граничных условий выступают напряжения, концентрирующиеся в приконтурном массиве выработки, в т.ч. с учетом изменений, произошедших в результате управления горным давлением на 11-м иерархическом уровне. Так, например, в ситуации, представленной на рисунке, таким критическим участком приконтурного массива является нижний угол кровли очистной камеры. При управлении напряженным состоянием на 11-м масштабном уровне в результате подвижек геоблоков междуэтажного целика происходит сжатие кровли до уровня, позволяющего скомпенсировать действующие там растягивающие напряжения. Однако при этом возможно превышение предельных значений сжимающих напряжений, концентрирующихся в нижнем углу кровли камеры. Усиление участка массива, где ожидается запредельное деформирование, штангами, установленными из буровой выработки до начала выемки камеры, позволяет предотвратить масштабное разрушение приконтурного массива и обеспечить устойчивость камеры. Технология защищена авторским свидетельством [4].
Все описанные выше методы управления горным давлением успешно прошли опытнопромышленные испытания и, в различных комбинациях и вариантах, внедрены на рудниках Урала и Казахстана. Многолетнее их применение подтверждает практическую ценность представленных в настоящей статье теоретических положений и технических решений.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. А.с. 1153065 СССР, МКИ Е 21 с 41/06. Податливый поддерживающий целик/ Зубков А.В., Балек А.Е., Лубенец И.П. СССР.- № 3679797, заявлено 26.12.83, опубл. 30.04.85 Бюл. № 16// Открытия, изобретения.- 1985.- № 16.- С. 112.
4. А.с. 1608343 СССР, Е 21 с 41/06. Способ разработки месторождений полезных ископаемых камерной системой/ Зубков А.В., Балек А.Е. СССР.- № 4612594, заявлено 05.12.88, опубл. 23.11.90 Бюл. № 43 // Открытия. Изобретения.- 1990.- № 43.- С. 125.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------
Балек Александр Евгеньевич - старший научный сотрудник Института горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.
-------------------------------------------------------------------- НОВИНКИ
ИЗДАТЕЛЬСТВА МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
Ляхомский А.В., Фащиленко В.Н. Управление электромеханическими системами горных машин. — 296 с.
КВЫ 5-7418-0333-4 (в пер.)
Рассмотрены вопросы анализа и синтеза структур управления электромеханическими системами горных машин. Определены области демпфирования колебаний с разомкнутой и замкнутой цепью воздействия. Предложен синтез систем управления с параллельной и последовательной коррекцией с применением модифицированного метода нормированных передаточных функций для ограничения динамических нагрузок в электромеханических системах горных машин. Рекомендованы средства активного управления колебательными процессами в электромеханической системе для получения заданных энергетических свойств, направленных на энергосбережение в технологических процессах резания горной массы.
Для инженерно-технических работников, специализирующихся в области ограничения динамических нагрузок в электромеханических системах и энергосбережения средствами электропривода. Может быть полезна студентам и аспирантам горных вузов и факультетов.
Табл. 21, ил. 58, список лит. 69 назв.
УДК 622:621.3
