CC BY
14
УДК 622.023.42
Н.В. Черданцев (доктор технических наук, доцент, старший научный сотрудник Института угля СО РАН)
В.Т. Преслер (доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Института угля СО РАН) В.А. Федорин (доктор технических наук, заведующий лабораторией Института угля СО РАН) В.Е. Ануфриев (кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института угля СО РАН)
Устойчивость системы выработок с учетом фактора времени
В рамках модели геомеханического состояния анизотропного по прочности массива горных пород проведены исследования устойчивости породных целиков около системы горизонтальных выработок при различных параметрах прочности массива и с учетом фактора времени.
Ключевые слова: АНИЗОТРОПНЫЙ ПО ПРОЧНОСТИ МАССИВ, ЗОНЫ НАРУШЕНИЯ СПЛОШНОСТИ, ВЫВАЛЫ
Разработанная модель геомеханического состояния анизотропного по прочности массива [1] позволяет оценить прочность массива, в первую очередь, по его наиболее слабым, с точки зрения прочности, направлениям - по поверхностям ослабления. В этой модели оценка производится согласно критерию Мора - Кузнецова, в котором в качестве параметров входят характеристики прочности горной породы - угол внутреннего трения (ри коэффициент сцепления К, а напряжения по поверхностям выражаются через компоненты непрерывного поля, которые, в свою очередь, определяются методом граничных элементов. Области, в которых произошло разрушение массива по поверхностям ослабления, называются зонами нарушения сплошности (ЗНС).
Породы, расположенные в ЗНС, склонны к вывалам, а потому неустойчивы. Целик, т.е. массив пород в промежутке между выработками, считается полностью разрушенным, если ЗНС от каждой выработки смыкаются друг с другом, образуя единую зону. Породы в таком целике выдавливаются внутрь выработок, а его края получают значительные смещения. Он превращается в своеобразную выработку, в окрестности которой образуются новые области разрушения еще больших размеров. Поэтому массив, вмещающий систему выработок с полностью разрушенным целиком, считается неустойчивым, а единая зона смыкания ЗНС называется областью неустойчивости. Следовательно, задача оценки устойчивости массива с системой выработок сводится к определению минимальных размеров целика, в котором объединение ЗНС от каждой выработки еще не произошло. С точки зрения оптимального размещения выработок, при котором размеры ЗНС минимальны, задача по установлению размеров устойчивых целиков, по-видимому, актуальна.
Для оценки устойчивости массива с комплексом выработок квадратного сечения, пройденных на одном горизонте угольного разреза «Распадский» в КУзбассе, который для эффективной отработки угольного пласта в приконтурной части карьера применял технологию НЮНМАИ (шесть-восемь последовательно проходимых выработок, сооружаемых роторными агрегатами [2]), в рамках модели был проведен широкомасштабный вычислительный эксперимент. Для оценки нарушенности массива с системой из двух выработок размерами Ъ=к=4 м и различными размерами целиков с принимались следующие параметры среды: объемный вес пород у =25 кН/м3, глубина №100 м, коэффициент Пуассона и =0,25. Результаты исследований показывают следующие характерные особенности. Во-первых, размеры устойчивого целика в окрестности двух одинаковых выработок квадратного поперечного сечения практически не отличаются от размеров целиков с тремя и более выработками. Во-вторых, нарушенность массива при увеличении числа систем поверхностей ослабления стремится к нарушенности квазиизотропного массива, в котором условия разрушения формулируются согласно критерию Кулона-Мора, а характеристики прочности пород равны характеристикам породы по поверхностям ослабления. Этот факт отражен в работах [3, 4].
На фрагментах (рисунок 1 а, б, в) приведены картины ЗНС массива, построенные в рамках модели, при нескольких значениях коэффициента сцепления породы, угле внутреннего трения р=200 и размерах целиков, соответствующих началу смыкания ЗНС каждой выработки. Увеличение целика для этих фрагментов на 0,05 пролета делает его устойчивым - смыкания ЗНС не происходит.
а б в
юнз* <м> оо
К/у#=0; с/Ъ=2,65 К/уЯ=0,1; с/Ъ=2,0 К/уЯ=0,25; с/Ъ=1,45
Рисунок 1 - Зоны нарушения сплошности квазиизотропного массива в окрестности
системы двух выработок
График на рисунке 2 определяет минимальные размеры устойчивого целика по заданным параметрам среды - коэффициенту сцепления и глубине заложения выработок.
а.. і..
і... “”ч
< > _ Я1
О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
К/'!Н~ коэффициент сцепления
Рисунок 2 - Зависимость минимального размера устойчивого целика выработок квадратного
сечения от коэффициента сцепления
На рисунке 3 приведены графики, определяющие предельные глубины заложения выработок в зависимости от коэффициента крепости / по шкале проф. М.М. Протодьяконова для ряда заданных размеров целиков. Эти графики построены, исходя из данных рисунка 2, а также известного соотношения для коэффициента крепости и предела прочности пород на одноосное сжатие ос , МПа [5, 6], /=0-/10. При (р=200 К=0,35ос.
Н
й 1500 &
Л
Л
| юоо
О
£
| 500
\о
Е?
и
с=2Ь
с=1^Ь ' с=Ь
>■* - в * ■ -
■Ґ Р , ‘ \ У > у ******* а * * ' с=0.5Ь К
к
0.6 0.8 1 1.2 1.4
1'- коэффициент крепости
1.6 1.8
Рисунок 3 - Зависимости предельной глубины заложения выработок квадратного сечения от коэффициента крепости для некоторых размеров целиков
Ниже приведены результаты исследования влияния ползучести горных пород на размеры устойчивых целиков в окрестности системы выработок. Известно, что учет ползучести горных пород меняет картину напряженно-деформированного состояния массива с течением времени.
Воспользуемся методом переменных модулей, разработанным А.М. Линьковым и Б.З. Аму-синым [7]. Согласно этому методу в задачах геомеханики, в которых граничные условия и объемные силы не зависят от времени, вместо упругих постоянных можно использовать временные параметры. Так, модуль упругости и коэффициент Пуассона описываются следующими выражениями:
Е
и( )= 0,5 -
1 + ф()’
0,5 -и
1 + ф()’
1-а
ф( ) =
5Ґ
1 — а
(1)
(2)
(3)
где <ф) - функция ползучести (£ - измеряется в секундах); а и 5- характеристики ползучести, определяемые экспериментально. Для осадочных горных пород Кузбасса они принимают следующие значения: а=0,669 - безразмерная величина, 5=0,0054 - измеряется в (секунда) -0,331 [6, 8].
На рисунке 4 приведены графики минимальных размеров устойчивых целиков в зависимости от коэффициента сцепления для различных отрезков времени (для удобства пересчитаны на месяцы и годы). Из них следует, что ползучесть горных пород увеличивает размеры устойчивых целиков особенно при малых коэффициентах сцепления. Наиболее значительные увеличения этих размеров приходятся на первые три месяца, в дальнейшем временной фактор практически не оказывает влияния на устойчивость целика.
15
я &
Иг* ни
Е?
4*
а-
о
1-і
о
ей
В 10
5т1
О
н
0 >>
|
си к—<
*5 _
г-11 -,нн м
я
1
н 0
^1 год §/-(=3 > -/ іесяца
ізза * ГТІт>"
1=0 Г" 1=1 мес. ****** щ
х
ин
NN
ч—і
о
0.8
0.9
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Коэффициент сцепления. £пн
Рисунок 4 - Зависимость минимального размера устойчивого целика выработок квадратного сечения в зависимости от коэффициента сцепления с учетом ползучести породы
Выводы
1 Применение упомянутой выше модели обеспечивает достаточно полное исследование устойчивости целиков массива, вмещающего систему протяженных горизонтальных параллельных горных выработок.
2 Увеличение прочности массива значительно уменьшает размер устойчивого целика между выработками.
3 При одной и той же прочности массива с увеличением глубины отработки угольного пласта резко растет и размер устойчивого целика.
4 Реологические свойства массива (ползучесть) резко увеличивают размеры устойчивого целика особенно при малых значениях коэффициента сцепления.
5 Графики, представленные на рисунках 2-4, обеспечивают определение минимального размера целика при заданных параметрах среды.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Черданцев, Н.В. Некоторые трехмерные и плоские задачи геомеханики / Н.В. Черданцев, В.Ю. Изаксон. - Кемерово: КузГТУ, 2004. -190 с.
2 Нецветаев, А.Г. Обоснование геомеханических параметров выемки угля с применением комплексов глубокой разработки пластов (КГРП)/ А.Г. Нецветаев, Л.Н. Репин, А.В. Соколовский, А.В. Кучеренко // Уголь. -2005. -№ 5. -С. 66-68.
3 Кузнецов, Г.Н. Графические методы оценки предельных состояний трещиноватого массива вокруг горных выработок / Г.Н. Кузнецов // Современные проблемы механики горных пород. - Л.: Наука, 1972. - С. 30 - 44.
4 Черданцев, Н.В. Сравнение нарушенности анизотропного и изотропного массивов горных пород в окрестности выработок / Н.В. Черданцев, В.Т. Преслер, В.Ю. Изаксон // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - № 8. - С. 72 - 78.
5 Барон, Л.И. Коэффициенты крепости горных пород /Л.И. Барон. - М: Наука, 1972. -224 с.
6 Ержанов, Ж.С. Комбайновые выработки шахт Кузбасса. Опыт поддержания и расчет устойчивости / Ж.С. Ержанов, В.Ю. Изаксон, В.М. Станкус. - Кемерово, 1976. -216 с.
7 Амусин, Б.З. Об использовании переменных модулей для решения одного класса задач линейной наследственной ползучести / Б.З. Амусин, А.М. Линьков // Известия АН СССР. Механика твердого тела. -1977. -№6. - С. 162-166.
8 Турчанинов, И.А. Основы механики горных пород / И.А. Турчанинов, М.А. Иофис, Э.В. Каспарьян. -М.: Недра, 1989. -488 с.
MINE OPENING SYSTEM STABILITY SUBJECT TO TIME FACTOR
N.V. Cherdantsev, V.T. Presler, V.A. Fe-dorin, V.Ye. Anufriev
Within the model frames of geomechanical state of anisotropic by strength rock massif there were made researches of rock pillars stability near the system of horizontal openings at different massif strength parameters and subject to time factor.
Key words: ANISOTROPIC BY STRENGTH MASSIF, AREAS OF CONTINUETY DISTURBANCE, INRUSHES
Черданцев Николай Васильевич E-mail:[email protected] Преслер Вильгельм Теобальдович Тел. (3842) 45-20-61 Федорин Валерий Александрович Тел. (3842) 45-20-61 Ануфриев Виктор Евгеньевич E-mail: [email protected]
