CC BY
23
Н.В. Черданцев
д-р техн. наук, заведующий лабораторией Института угля СО РАН
УДК 622.241.54:539.3
УСТОЙЧИВОСТЬ ЦЕЛИКОВ В ОКРЕСТНОСТИ СИСТЕМЫ ВЫРАБОТОК ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ, СООРУЖАЕМЫХ В АНИЗОТРОПНОМ ПО ПРОЧНОСТИ МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД
В рамках модели геомеханического состояния анизотропного по прочности массива горных пород с различными его параметрами проведены исследования устойчивости целиков около системы горизонтальных выработок прямоугольного сечения, сооружаемых по геотехнологии КГРП (комплекс глубокой разработки пласта). Показано, что размер устойчивого целика в системе двух выработок значительно превышает нарушенность массива в бортах аналогичной одиночной выработки. Ключевые слова: АНИЗОТРОПНЫЙ ПО ПРОЧНОСТИ МАССИВ, ЗОНЫ НАРУШЕНИЯ СПЛОШНОСТИ, ПОВЕРХНОСТИ ОСЛАБЛЕНИЯ, УГЛЫ ПАДЕНИЯ И ПРОСТИРАНИЯ, УСТОЙЧИВОСТЬ ЦЕЛИКОВ
Применяемые в мировой практике комбинированные (открыто-подземные) геотехнологии освоения недр исходят из того, что границы открытых горных работ определяются на основе экономических или энергетических критериев, а они не всегда могут совпадать с природными особенностями - естественными границами месторождений, пространственным распределением угленасыщенно-сти, характером выхода угольных пластов на поверхность и т.д. В Кузбассе такие технологии были опробованы на некоторых разрезах («Сибиргинский», «Моховский», «Распадский»). Выбор варианта открыто-подземной разработки угольных месторождений определяется в ходе решения комплексной задачи, которая включает природные условия месторождения, гео-механическое состояние массива и технологии вскрытия и отработки месторождений.
Геотехнология HIGHWALL или КГРП (комплекс глубокой разработки пла-
ста), являющаяся разновидностью комбинированной геотехнологии, позволяет отрабатывать угольные пласты в приконтурной части карьера с применением для проведения выработок роторных агрегатов. Согласно этой технологии угольные пласты отрабатываются путем последовательного проведения роторными агрегатами выработок (квадратного, прямоугольного сечения), расположенных в непосредственной близости друг к другу. Ее эффективность и перспективы приведены в статье [1].
Согласно комбинированной геотехнологии мощные угольные пласты могут отрабатываться по-разному. Например, отрабатывается верхний (нижний) горизонтальный слой пласта путем проведения выработки квадратного сечения с последующим ее расширением до соответствующих пролетов (двух, трех и т.д. размеров высоты). Затем сооружают вторую такую же выработку, расположенную рядом с первой, оставляя при этом целик.
Другой вариант предусматривает отработку пласта вертикальными слоями. После проведения выработки квадратного сечения приступают к выемке следующих слоев, расположенных в почве квадратной выработки, увеличивая последовательно ее высоту до двух, трех и т.д. пролетов. Затем, оставляя целик, таким же образом проводится соседняя выработка.
Какой из двух перечисленных вариантов принять и каких размеров должны быть целики - зависит от свойств вмещающего массива. Следовательно, для выбора того или иного варианта должно быть выполнено геомеханическое обоснование вариантов комбинированной технологии.
Основной проблемой для широкого применения этой технологии является недостаточное обоснование устойчивости углепородного массива, расположенного между выработками и называемого меж-дукамерным целиком. В процессе отработки пласта неустойчивые по-
Ш научно-технический журнал № 2-2012
ВЕСТНИК
роды в целике приводят к завалам выработок, вызывая сбои угледобычи, снижая производительность труда.
Исследования геомеханического состояния массива с поверхностями ослабления (наименее прочными его направлениями), вмещающего систему протяженных выработок квадратного сечения, приведены в ряде статей [2, 3]. Они сводились к построению зон нарушения сплошности массива, вмещающего выработки. Как известно, зоной нарушения сплошности (ЗНС) называется область массива, окружающего выработку, в точках которой не выполняются условия прочности как по основной породе, расположенной между поверхностями ослабления согласно критерию прочности Кулона - Мора [4], так и по этим поверхностям в соответствии с критерием прочности Мора - Кузнецова [5]. Очевидно, что параметры ориентации (углы падения а и простирания в) поверхностей ослабления относительно трассы выработки могут существенно повлиять на размеры зон нарушения сплошности в ее окрестности. В статье [6] приведены исследования геомеханиче-ского состояния и дан анализ на-рушенности массива с различными его параметрами в окрестности выработок квадратного поперечного сечения. В ходе исследований установлены значения углов падения и простирания поверхностей ослабления, при которых зоны нарушения сплошности массива - наибольшие (экстремальный случай). В той же статье приводится анализ устойчивости целиков именно для такого случая.
В представленной статье приводится анализ устойчивости целиков в окрестности системы двух выработок прямоугольного сечения, большие стороны которых расположены
вертикально, то есть дается геоме-ханическое обоснование изложенного выше второго варианта комбинированной геотехнологии.
В геомеханике считается, что массив в окрестности системы выработок (следовательно, и целик) неустойчив, если ЗНС от каждой выработки смыкаются друг с другом в целике, образуя единую зону, которую и называют областью неустойчивости. Ее трудно крепить. Единственным способом повышения устойчивости этих пород, по-видимому, является их цементация, поэтому в неустойчивом целике они частично выдавливаются внутрь выработок, а его края получают значительные смещения. Он превращается в своеобразную выработку (квазивыработку), около которой образуются новые зоны нарушения сплошности еще больших размеров. Таким образом, задача по установлению размеров областей неустойчивости, с точки зрения оптимального размещения выработок, является важной и актуальной.
Ниже представлены результаты вычислительного эксперимента, проведенного в рамках разработанной трехмерной модели геоме-ханического состояния массива с прочностной анизотропией, в которой поле напряжений в окрестности выработок определяется методом граничных элементов, а оценка нарушения сплошности массива производится на основе описанных выше критериев прочности [7].
Исследования проводились при следующих значениях параметров: коэффициент бокового давления Х=1, угол внутреннего трения ф=200, размеры выработки представлены соотношением характерных размеров высоты к пролету (Ь
- пролет выработки, И - ее высота).
Для рассматриваемых в статье выработок прямоугольного сечения И/Ь=3. Коэффициент крепости / в расчетах изменялся в пределах от 0,25 до 1,5. Коэффициент сцепления по поверхностям ослабления К принимался 0,25К0 (К0 - коэффициент сцепления по основной породе). Картины разрушения массива вокруг выработки построены по результатам проверки его прочности по основным породам и двум наиболее опасным с точки зрения прочности системам поверхностей ослабления согласно трем условиям:
1) Кулона-Мора по основной породе;
2) Мора-Кузнецова по первой системе поверхностей ослабления с а=900, в=350;
3) Мора-Кузнецова по второй системе поверхностей ослабления с а=550, в=00.
Расчеты показали, что наибольшие разрушения по первой системе поверхностей происходят в почве и кровле, а по второй - в бортах выработки. Фрагменты на рисунках 1 - 5 демонстрируют картины ЗНС, полученные для ряда значений /. На этих фрагментах черным цветом обозначены зоны нарушения сплошности (разрушения) по основной породе, светло-серым
- по первой системе ослаблений, темно-серым - по второй.
На рисунке 1а представлены ЗНС массива с ./=0,25 и минимальной шириной устойчивого целика в 8,25 пролета выработки, те. перед самым объединением (смыканием) зон, образующихся вокруг каждой выработки. На рисунке 1б показана потеря устойчивости при максимальной ширине целика в 8,2 пролета, при которой происходит смыкание зон, образующихся в окрестности каждой выработки.
б
Рисунок 2 - Картины зон нарушения сплошности около выработки до и после потери устойчивости целика для ^=0,5
При /=0,5 минимальный размер устойчивого и максимальный размер неустойчивого целика, зоны нарушения сплошности в котором показаны на рисунке 2, составляют 7,70 и 7,65 пролета выработки соответственно.
Когда /=0,75, то минимальный размер устойчивого и максимальный размер неустойчивого целика (рисунок 3) составляют соответственно 7,25 и 7,2 пролета выработки. Если крепость пород /=1, то размеры устойчивого и неустойчивого целиков составляют 6,9 и 6,8 пролета (рисунок 4). При/=1,5 размеры
устойчивого и неустойчивого целиков составляют 6,2 и 6,1.
Из анализа рисунков следует:
1 Для принятых в расчетах значений коэффициента крепости преимущественно нарушение сплошности массива в целике происходит за счет первой системы поверхностей ослабления.
2 С увеличением коэффициента крепости нарушение сплошности массива по основной породе резко уменьшается, а нарушение сплошности по поверхностям ослабления изменяется незначительно. Размер устойчивого целика в системе двух
выработок в зависимости от коэффициента крепости пород превышает суммарные бортовые разрушения массива в окрестности аналогичной одиночной выработки от 47 до 57 %.
На рисунке 5 построен график размера устойчивого целика в зависимости от коэффициента крепости вмещающих пород. Видно, что с увеличением крепости размер целика уменьшается по параболическому типу (слабая вогнутость с максимальным отклонением от линейности, не превышающим 0,2 пролета).
Рисунок 4 - Картины зон нарушения сплошности около выработки до и после потери устойчивости целика для У=1
Выводы
1 Полученные в рамках модели гео-механического состояния массива горных пород с прочностной анизотропией картины областей нарушения сплошности имеют достаточно наглядный характер и весьма просты в проведении анализа разрушения в зависимости от прочностных свойств пород и способов их армирования.
2 Две системы поверхностей ослабления определенной ориентации в анизотропном по прочности массиве горных пород с равнокомпонентным полем напряжений в исходном
б
я 2 3 о |-о
0 22
1
Р 2Л
о >1
е- Л
Я V
4
>4 ч
ч
"ж
0.-1 Т.6 0.8 1 1.2
Коэффициент крепости, у
1.4
Рисунок 5 - Зависимость размера устойчивого целика от коэффициента крепости пород
состоянии (коэффициент бокового давления равен единице) обеспечивают при проведении выработок наибольшие разрушения в их окрестности (экстремальные условия). По одной из всех возможных систем образуются максимальные разрушения в кровле, а по другой
- максимальные разрушения в бортах выработок.
3 Для рассмотренных вариантов горизонтального и вертикального расположения прямоугольных выработок (определяется по соотношению пролета к высоте - больше или меньше единицы) следует, что
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 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.
2 Черданцев, Н.В. Геомеханическое состояние массива горных пород с поверхностями ослабления в окрестности комплекса протяженных горизонтальных выработок / Н.В. Черданцев, В.А. Федорин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2006.№ 1.-С. 17-19.
3 Черданцев, Н.В. Устойчивость целиков с учетом вывалообразования в геотехнологии HIGHWALL / Н.В. Черданцев, В.Т Преслер, В.А. Федорин, В.Е. Ануфриев // Вестник Кузбасского государственного технического университета. -2010. - № 6.-С. 69.
4 Булычев, Н.С. Механика подземных сооружений / Н.С. Булычев. М.: Недра, 1994. 382 с.
5 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.
6 Черданцев, Н.В. Устойчивость целиков в окрестности системы выработок, сооружаемых в анизотропном по прочности массиве горных пород / Н.В. Черданцев // Вестник Кузбасского государственного технического университета.
- 2012. - № 1. -С. 15-19.
7 Черданцев, Н.В. Некоторые трехмерные и плоские задачи геомеханики / Н.В. Черданцев, В.Ю. Изаксон. - Кемерово: КузГТУ 2004. —190 с.
PILLAR STABILITY IN THE AREA OF MINE OPENINGS WITH Черданцев
RECTANGULAR CROSSECTION SYSTEM CUT IN ANISOTROPIC BY Николай Васильевич
STRENGTH MINE ROCK MASSIF е-mail: cherdantsevnv
N.V. Cherdantsev @icc.kemsc.ru
Within the geomechanical state model frames of anisotropic for it’s
strength rock massif with it’s various parameters, pillar stability study
around a system of horizontal rectangular openings, constructed on CGRP
geotechnology (complex deep seam development) was conducted. It is
shown that the stable pillar size in the system of two openings considerably
increases massif disturbances in the walls of a similar single opening.
Key words: ANISOTROPIC FOR IT’S STRENGTH MASSIF, WEAKENING
SURFACES, ANGLES OF INCLINATION AND SPREAD, PILLAR
STABILITY
с уменьшением коэффициента крепости пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова области разрушения массива по основной породе растут более значимо, чем области разрушения по поверхностям ослабления.
4 Установлено, что в поле равнокомпонентных напряжений нетронутого массива наибольшие разрушения в окрестности выработки прямоугольного сечения по одной из систем поверхностей ослабления происходят в ее бортах на всем диапазоне изменения коэффициента крепости. Наибольшие разруше-
ния в кровле выработки при малых коэффициентах крепости „/<0,75 происходят по основной породе, а при />0,75 - по одной из двух рассмотренных систем поверхностей ослабления.
5 Размер устойчивого целика в системе двух выработок прямоугольного сечения с вертикальным расположением большей стороны превышает суммарные бортовые разрушения массива в окрестности аналогичной одиночной выработки в полтора раза.
