CC BY
15
УДК 622.831
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-5-204-210
ВЛИЯНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ КРЕПИ И ОКРУЖАЮЩЕГО МАССИВА ПРИ ПРОХОДКЕ ДВУХ СМЕЖНЫХ ВЫРАБОТОК
Виктор Михайлович Серяков
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией, тел. (383)205-30-30, доп. 124, e-mail: vser@misd.ru
Проведен расчет напряженно-деформированного состояния породного массива и элементов крепи при проходке двух смежных выработок с учетом последовательности ведения горных работ. Для установления характера перераспределения механического состояния пород и крепи по мере увеличения размеров выработанного пространства применен комплекс программ, основанный на использовании матрицы жесткости расчетной системы, сформированной для исходного массива. Рассмотрены различные варианты проходки выработок, проведен анализ соответствующих полей напряжений, сделаны выводы о наиболее целесообразной последовательности отработки.
Ключевые слова: массив горных пород, смежные выработки, последовательность проходки, крепление, смещения, напряжения, математическое моделирование, зоны растяжения.
INFLUENCE OF THE MINE WORKING SEQUENCE ON MASS AND SUPPORT STRESS STATE DURING DRILLING OF TWO ADJACENT WORKINGS
Viktor M. Seryakov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Professor, Head of Laboratory, phone: (383)205-30-30, доп. 124, e-mail: vser@misd.ru
The stress-strain state of the rock mass and the support elements during the drilling of two adjacent workings are calculated taking into account the sequence of mining operations. A program system is employed in order to determine the nature of the redistribution of the rock and support mechanical conditions, as the size of the developed space increases. The program system is based on the use of the stiffness matrix of the calculation system formed for the initial mass. Various versions of mine workings are considered. An analysis of the corresponding stress fields is carried out. The conclusions about the most expedient sequence of mining are made.
Key words: rock mass, adjacent workings, sequence of mining, support, displacement, stress, mathematical modeling, tensile zone.
Введение
Для теоретического описания процесса перераспределения напряжений в породном массиве и в создаваемых в выработанном пространстве конструкций при ведении горных работ с применением современных технологий отработки запасов полезных ископаемых необходимо решение задач механики горных пород о нахождении дополнительных полей напряжений, вызван-
ных последовательной проходкой выработок [1]. Граничные условия на контурах последовательно создаваемых выработок следуют из условия равенства нулю нормальных и касательных компонент тензора напряжений, т. е. значения дополнительных напряжений на границах создаваемых выработок определяются всей последовательностью ведения горных работ. К числу задач, в которых для нахождения напряженного состояния массива требуется учет последовательности ведения горных работ, относятся задачи этапного раскрытия и крепления поперечных сечений выработок больших размеров [2-4]. Некоторые из них рассмотрены в работах [5-7]. В настоящей статье приведены результаты численного решения задачи о поэтапной проходке двух смежных выработок с креплением контура на каждом этапе раскрытия их поперечного сечения.
Методы и материалы
В ИГД СО РАН предложен метод расчета полей напряжений и деформаций в элементах крепи и в окружающем выработанное пространство массиве с учетом последовательности горных работ, основные принципы которого изложены в работах [5-7]. С помощью метода конечных элементов [8, 9] разработан комплекс программ для расчета механического состояния системы «крепь -вмещающий массив» с учетом этапности раскрытия поперечного сечения выработок.
Последовательность ведения горных работ и возведения элементов крепи при проходке двух смежных выработок приведена на рис. 1. После формирования на очередном этапе горных работ части выработки ее граница поддерживается временной или податливой крепью. Крепь вместе с окружающим выработку массивом представляет собой грузонесущую конструкцию, которая деформируется за счет разгрузки окружающих пород от исходных напряжений, и воспринимает на себя их большую часть. Постоянная крепь возводится после того как основной этап разгрузки массива от действующих в нем исходных напряжений закончен, поэтому постоянная крепь воспринимает незначительную долю нагрузки и ее деформирование и нагружение происходит в основном вследствие дальнейшего развития горных работ. В таких условиях для расчета полей напряжений в элементах крепи и в окружающем выработку массиве можно использовать разработанный программный комплекс расчета напряженно-деформированного состояния системы «крепь - вмещающий массив», учитывающий последовательность горных работ.
Так как протяженность выработок весьма значительна, то можно считать выполненными условия плоской деформации. Граничные условия на внешних контурах расчетной области были приняты следующими: на вертикальных границах заданы нулевые значения горизонтальной компоненты вектора смещений и и касательной компоненты тензора напряжений тху. Эти условия соответствуют исходному напряженному состоянию массива с компонентами тензора на-
пряжений: о°у = рН; а°х = УрИ / (1 - у); т°ху = 0, называемому «гравитационным» исходным полем напряжений [10]. Здесь о®, о°у, т^ - нормальные и касательная компоненты тензора напряжений; р - объемный вес пород; Н - расстояние до земной поверхности до верхней границы выработок. Ось Ох направлена по горизонтали, Оу - по вертикали.
Рис. 1. Последовательность раскрытия поперечного сечения двух смежных выработок
Верхняя горизонтальная граница расчетной области свободна от действия внешней нагрузки. На нижней горизонтальной границе задавались нулевыми вертикальная компонента вектора смещений V и касательная компонента тензора напряжений т . При проведении расчетов механические свойства вмещающих пород были выбраны следующими: модуль Юнга Е = 25 000 МПа; V = 0,25. Для крепи Е = 50 000 МПа; V = 0,2. Объемный вес пород принят равным 0,03 МН/м3.
Результаты
Изобары главных напряжений ^ и с2 в элементах крепи и в окружающем
выработку массиве после первого этапа раскрытия поперечного сечения двух смежных выработок приведены на рис. 2. Крепь возводится в выработанном пространстве после проходки части выработки и находится в ненагруженном состоянии. В окружающих выработку породах распределение напряжений отвечает основным закономерностям их поведения вокруг выработанных пространств с соответствующим формированием областей концентрации и разгрузки напряжений ^ и с2.
Рис. 2. Распределение главных напряжений ^ (а) и а2 (б) в массиве после первого этапа раскрытия поперечного сечения двух смежных выработок
На рис. 3 показано распределение главных напряжений ^ и а2 в породном
массиве и элементах крепи после завершения второго этапа работ по формированию и креплению поперечного сечения двух смежных выработок. В части крепи, возведенной на первом этапе горных работ, возникает область концентрации сжимающих напряжений а2. Значения напряжений здесь изменяются
от -10 до -20 МПа. В кровле и почве выработки и в прилегающих к ним частям крепи формируются незначительные по площади зоны действия растягивающих напряжений.
Рис. 3. Характер распределения главных напряжений ^ (а) и а2 (б)
в крепи и породном массиве после завершения второго этапа горных работ по раскрытию поперечного сечения двух смежных выработок
После следующего этапа отработки (рис. 4) происходит значительное изменение значений сжимающих и растягивающих напряжений в элементах крепи. Наиболее резкий рост сжимающих напряжений происходит в части крепи, возведенной на первом этапе горных работ. Их величины превышают по абсолютной величине 100 МПа. В породном массиве и в элементах крепи, располо-
женных вблизи почвы и кровли смежных выработок, происходит дальнейшее развитие зон растягивающих напряжений. Максимум величин растягивающих напряжений 10 МПа достигается в элементах крепи (рис. 4, а).
Рис. 4. Распределение главных напряжений ^ (а) и с2 (б) в крепи и породном
массиве после завершения третьего этапа горных работ по раскрытию поперечного сечения двух смежных выработок
На рис. 5 приведены распределения напряжений ^ и с2 после завершения работ по раскрытию поперечного сечения смежных выработок.
Рис. 5. Распределение главных напряжений ^ (а) и с2 (б) в крепи
и породном массиве после завершения горных работ по раскрытию поперечного сечения двух смежных выработок
Перераспределение напряжений вследствие выполнения четвертого этапа горных работ приводит к уменьшению уровня сжатия в элементах крепи, сформированных на предыдущих этапах. Наибольшее значение сжимающих напряжений достигается теперь во вмещающем массиве вблизи контакта смежных выработок. Следует отметить и небольшую по площади зону растягивающих напряжений в крепи в районе контакта смежных выработок. Здесь значения напряжения ^ около 10 МПа.
Обсуждение
На всех этапах раскрытия поперечного сечения двух смежных выработок наиболее нагруженными элементами крепи являются ее вертикальные участки, расположенные в районе контакта двух выработок. По мере развития горных работ абсолютные величины сжимающих напряжений а2 на рассматриваемой
глубине увеличиваются на этих участках от 20 до 100 МПа. Набольшие их значения достигаются после третьего этапа горных работ, когда раскрывается половина сечения второй смежной выработки. Характер распределения второго главного напряжения в крепи в зоне контакта смежных выработок существенно изменяется после полного раскрытия поперечного сечения. Совместное деформирование элементов крепи в первой и второй выработках при выполнении четвертого этапа горных работ приводит к уменьшению сжатия в элементах крепи первой выработки за счет увеличения сжимающих напряжений в элементах крепи второй выработки. Общий уровень сжимающих напряжений не превышает 75 МПа.
В ходе ведения горных работ по раскрытию поперечного сечения двух смежных выработок в крепи формируются и зоны концентрации растягивающих напряжений. Одна из них, наиболее опасная по уровню напряжений возникает в крепи после завершения всех горных работ и располагается в районе контакта смежных выработок.
При проведении исследований рассмотрены поля напряжений, формируемые в крепи только за счет развития горных работ, т. е. единственным фактором нагружения системы «крепь - вмещающий массив» являются снимаемые с контура каждой выработки нормальные и касательные напряжения. Появление в крепи значительных зон растягивающих напряжений связано с учетом последовательности раскрытия поперечного сечения выработки. В некоторой степени на их величины может оказать влияние условия жесткого контакта между контуром выработки и элементами крепи, принятые при постановке задачи. Их вклад можно оценить, задавая на границах контакта крепи и породного массива условия, позволяющие моделировать проскальзывание берегов контакта и их раскрытие.
Выводы
1. Применение метода расчета напряженно-деформированного состояния породного массива с учетом последовательностигорных работ к задаче раскры-
тия поперечного сечения двух смежных выработок позволяет рассмотреть особенности формирования зон концентрации растягивающих и сжимающих напряжений в элементах крепи и установить этапы отработки, при которых они достигают наибольших значений.
2. Наиболее опасная с точки зрения разрушения ситуация в крепи создается после выполнения третьего этапа раскрытия поперечного сечения двух смежных выработок.
3. Для снижения уровня сжимающих напряжений в крепи целесообразно изменить последовательность горных работ по раскрытию поперечного сечения двух смежных выработок в таком порядке: первый, третий, второй и четвертый этапы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Курленя М. В., Серяков В. М., Еременко А. А. Техногенные геомеханические поля напряжений. - Новосибирск : Наука, 2005. - 264 с.
2. Картозия Б. А., Федунец Б. И. Шахтное и подземное строительство : учебник для вузов. - М. : Изд-во МГГУ «Горная книга», 2003. - Т. 2. - 815 с.
3. Насонов И. Д., Федюкин В. А., Шуплик М. Н. Технология строительства подземных-сооружений. - М. : Недра, 1992. - 285 с.
4. Протосеня А. Г., Долгий И. Е., Огородников Ю. Н. Шахтное и подземное строительство в примерах и задачах. - СПб. : Изд-во С.-Пб. Горного института им. Плеханова, 2003. -312 с.
5. Серяков В. М. Напряженное состояние элементов крепи при различных способах раскрытия поперечного сечения выработки в скальных массивах // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - 2015. - Т. 2. - С. 149-152.
6. Seryakov V. M. Calculating stresses in support and sidewall rocks in stagewise face drivage in long excavations // Journal of Mining Science. - 2015. - Vol. 51, Issue 5. - Р. 673-678.
7. Seryakov V. M. Feayures of stress state of support under varying displacement of free cjntur of underground excavation // IOP Conf. Series: «All-Russian Conference on Challenges for Development in Mining Science and Mining Industry Devoted to the 85th Anniversary of Academician Mikhail Kurlenya», 2017. 012005. : 10.1088/1755-1315/53/1/012005.
8. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. - М. : Мир, 1975. - 589 с.
9. Фадеев А. Б. Метод конечных элементов в геомеханике. - М. : Недра, 1987. - 246 с.
10. Турчанинов И. А., Иофис М. А., Каспарьян Э. В. Основы механики горных пород. -Л. : Недра, 1989. - 488 c.
© В. М. Серяков, 2018
