CC BY
40
УДК 622.831
ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗАКЛАДКИ НА ПРОЦЕСС ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ ВО ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОДАХ
Дмитрий Александрович Поляков
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук, 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный проспект, 54, инженер, тел. 8-913-912-24-13, e-mail: Svetloyar 14@gmail. com
Виктор Михайлович Серяков
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им.
Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук, 630091, Россия, г. Новосибирск, ул. Красный проспект, 54, заведующий лабораторией, тел. 8-383-217-01-52, e-mail: vser@misd.nsc.ru
С помощью математического моделирования рассмотрен процесс перераспределения напряженно-деформированного состояния вмещающих пород при формировании закладочного массива материалами с различными механическими свойствами.
Ключевые слова: метод конечных элементов, последовательность отработки, напряженно-деформированное состояние.
EFFECT OF MECHANICAL PROPERTIES OF LAYING
ON THE PROCESS STRESS REDISTRIBUTION IN THE HOST ROCK
Dmitry A. Polyakov
N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, Krasny Prospect 54, engineer, tel. 8-913-912-24-13, e-mail: Svetloyar 14@gmail. com
Victor M. Seryakov
N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, Krasny Prospect 54, head of laboratory, tel. 8-383-217-01-52, e-mail: vser@misd.nsc.ru
With mathematics modeling describes the process of redistribution of the stress-strain state of the country rocks in the formation of filling mass materials with different mechanical properties.
Key words: finite element technique, sequence mining, stress-strain state.
В настоящее время технологии отработки месторождений полезных ископаемых с использованием закладки выработанного пространства твердеющими смесями находят широкое применение при ведении горных работ на больших глубинах [1,2]. При развитии горных работ материал, помещаемый в отработанное пространство, вступает во взаимодействие с вмещающими породами, препятствует свободному деформированию налегающей толщи. Этот процесс оказывает качественное и количественное влияние на параметры, характеризующие процесс деформирования породного массива.
При математическом моделировании напряженного состояния, отвечающего различным этапам отработки месторождений, установить процесс перераспределения усилий в горных породах удается с помощью решения
задач в дополнительных напряжениях. Реализация такого алгоритма вызывает значительные трудности, так как на каждом этапе расчета приходится определять границы вновь формируемых выработок и соответствующие краевые условия.
В институте горного дела СО РАН предложен другой метод расчета напряженного состояния массива в окрестности выработанного пространства с учетом последовательности ведения очистных и закладочных работ, позволяющий избежать упомянутых трудностей [3]. Суть его заключается в том, что расчетная область в подобластях размещения выработок на всех этапах моделирования имеет механические характеристики, соответствующие геомехани-ческой ситуации, существовавшей в массиве до начала ведения горных работ. Условием образования некоторой выработки являются нулевые значения всех напряжений в расчетных точках, лежащих внутри ее контура. Для выполнения этого условия использован метод начальных напряжений. Достоинством использования метода начальных напряжений является неизменность матрицы жесткости расчетной системы, что позволяет практически решать актуальные задачи о напряженно-деформированном состоянии массива горных пород вокруг выработанных пространств с учетом последовательности выемки запасов полезных ископаемых.
Очень важным практическим вопросом является вопрос о выборе механических свойств закладки. С одной стороны они должны быть такими, чтобы обеспечить безопасность очистных работ. С другой стороны увеличение прочности закладочного материала влечет за собой рост затрат при использовании цемента более высокого качества, применении более сложных технологий производства закладки.
С целью оценки влияния параметров закладочного материала на напряженно-деформированное состояние массива были выполнены расчеты с различными механическими свойствами закладки.
Для реализации разработанного метода расчета напряжённо-деформированного состояния массива горных пород с учетом последовательности ведения очистных и закладочных работ был разработан комплекс программ в системе программирования Delphi. С его помощью проведен расчёт полей напряжений, перемещений и деформаций при отработке пологопадающего рудного тела восходящим порядком выемки [4]. Все используемые механические и геометрические параметры соответствуют условиям отработки норильских полиметаллических месторождений [5-8].
Г оризонтально залегающее рудное тело мощностью 40 метров расположено на глубине Н=750 метров. Исходное напряженное состояние характеризуется преобладанием тектонической составляющей: 7^ = -1,5уН; а®= -уН; т£у=0. Модуль Юнга рудного тела £=75000 МПа, вмещающих пород 60000 МПа, закладочного массива 5000 МПа. Коэффициент Пуассона 0,25; 0,2 и 0,4 соответственно. Объёмный вес всех пород принят равным 0,03 МН/м3. Размер отрабатываемых, а затем закладываемых выработок 8х8 метров.
На рис. 1 представлены некоторые результаты расчётов после пятнадцати этапов «отработки-закладки». Видно, что во вмещающих породах образуются
зоны концентрации вмещающих и растягивающих напряжений, в которых значения напряжений достигают своего максимума. Именно эти точки были взяты как характерные для последующего анализа перераспределения НДС вмещающего массива.
а) б)
Рис. 1. Напряженное состояние вмещающего и закладочного массивов после пятнадцати этапов отработки (длина пролета 60 метров) с использованием восходящего порядка закладки очистного пространства
твердеющими смесями: а](а), а2(б)
Была выполнена серия геомеханических расчетов с изменяющимся модулем Юнга Е от 2500 до 10000 МПа. На рис. 2, 3 приведены графики перераспределения сжимающих S2 и растягивающих S1 напряжений в некоторых характерных точках вмещающего массива дл Е равного 2500 и 10000 МПа при увеличении пролета отработки L с 12 до 164 метров.
Как видно из графиков, качественных изменений в закономерностях перераспределения полей напряжений в окружающем массиве не наблюдается. Величины напряжений также не претерпевают сколько-либо значимых изменений. Поэтому, с механической точки зрения, влияние свойств закладки на перераспределение напряжений в окружающем массиве весьма мало. Отсюда следует, что при выборе свойств закладки для ведения очистных работ в массиве, сложенном крепкими горными породами, можно руководствоваться в первую очередь экономическими соображениями, чрезмерно не заботясь о качестве возводимого закладочного массива.
Напряжения
Рис. 2. Перераспределение напряжений во вмещающем массиве в зонах концентрации сжимающих и растягивающих напряжений в зависимости от пролета отработки при модуле Юнга закладки 2500 МПа
Рис. 3. Перераспределение напряжений во вмещающем массиве в зонах концентрации сжимающих и растягивающих напряжений в зависимости от пролета отработки при модуле Юнга закладки 10000 МПа Выводы:
1. При ведении очистных работ в крепких горных породах изменение механических свойств закладочного материала не вносит значимых изменений в картину напряженно-деформированного состояния массива в процессе отработки рудного тела.
2. Увеличение модуля Юнга закладочного материала приводит к незначительному снижению сжимающих напряжений во вмещающем массиве.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бронников Д.М., Замесов Н.Ф., Богданов Г.И. Разработка руд на больших глубинах. - М.: Недра, 1982.
2. Курленя М.В., Штеле В.И., Шалауров В.А. Развитие технологии подземных горных работ. - Новосибирск: Наука, 1985.
3. Серяков В.М. Реализация метода расчета геомеханического состояния массива горных пород, учитывающего порядок ведения закладочных работ // ФТПРПИ. - 2008, №5.
4. Поляков Д.А. О перераспределении напряжений при развитии горной выработки.
5. Петухов И.М., Егоров П.В., Скитович В.П., Паценюк Б.Г. Результаты изучения напряжённого состояния нетронутого массива пород на Талнахском и Октябрьском месторождениях // Измерение напряжений в массиве горных пород. Ч.2. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1976.
6. Редькин В.А., Калугин В.В. Естественное поле напряжений горного массива блочной структуры // Напряжённо-деформированное состояние массивов горных пород. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1988.
7. Технологическая инструкция по применению сплошной слоевой системы разработки с нисходящими и комбинированными порядками выемки слоёв с закладкой твердеющими материалами при выемке сплошных сульфидных руд на рудниках Норильского ГМК. - Норильск, 1986.
8. Егоров П.В. Геомеханическое обоснование технологии разработки месторождений полезных ископаемых // ФТПРПИ. - 1986, №2.
© Д.А. Поляков, В.М. Серяков, 2013
