Закономерности распределения напряжений в висячем и лежачем боках камер при отработке рудных тел этажно-камерной системой разработки Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© И.В. Бирючев, A.B. Зубков, О.Ю. Смирнов, 2013

УДК 622.833.52

И.В. Бирючев, А. В. Зубков, О.Ю. Смирнов

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ВИСЯЧЕМ И ЛЕЖАЧЕМ БОКАХ КАМЕР ПРИ ОТРАБОТКЕ РУДНЫХ ТЕЛ ЭТАЖНО-КАМЕРНОЙ СИСТЕМОЙ РАЗРАБОТКИ

Представлены результаты формирования напряжений в висячем и лежачем боках при их обнажении. На этой основе были выявлены закономерности распределения напряжений в массивах лежачего и висячего боков, и были разработаны мероприятия, обеспечивающие их устойчивость.

Ключевые слова: напряженное состояние, горное давление, висячий бок, лежачий бок.

Ж^нтенсификация подземных горных работ на Гайском руднике, вы-

Кл званная все возрастающей потребностью в сырье приводит к быстрому росту глубины разработки и возникновению проблем устойчивости конструктивных элементов системы разработки от которых в значительной мере зависит эффективность и безопасность разработки месторождения подземным способом. Обрушение рудных стенок в камерах первой и второй очередей вызывает рост нагрузок на междукамерные целики. Это приводит к их разрушению, потере буровых скважин и подготовительных выработок. Падает производительность добычи из камер второй и третьей очередей. При самообрушении пород кровли и висячего бока возрастают потери и засорение руды, выход негабарита.

С целью выявления закономерностей формирования напряжений в висячем и лежачем боках при их обнажении и обоснования оптимального порядка очистной выемки в камерах при отработке этажей 670/750м и 750/830м Гайско-го рудника с использованием программы ELAST — 2 было произведено математическое моделирование для однородного изотропного массива при различных углах падения и выемочных мощностей рудных тел. В качестве граничных условий использованы результаты определения параметров тензора максимальных напряжений, действующих в нетронутом массиве горных пород: по простиранию сту = -20МПа; вкрест простирания стх = -40МПа.

Рассчитывались напряжения, действующие на контуре камер со стороны висячего и лежачего боков, имеющих следующие параметры:

• высота камер, Н = 80м;

• выемочная мощность, m (ширина камер) = 20м, 40м, 60м, 80м, 100м;

• угол падения рудных тел, а = 600, 700, 800, 850.

Для систематизации анализа напряжений на контуре камеры были выбраны три точки А, В, С в висячем боку и три точки в лежачем боку А1, В1 и С1 соответственно, схема расположения анализируемых точек приведена на рис. 1. Результаты анализа по этим точкам скомпонованы в графики, приведенные на рис. 2—7.

В результате анализа полученных результатов установлено следующее.

1. При увеличении мощности рудного тела, вне зависимости от угла его падения во всех анализируемых точках выявлено уменьшение величины растягивающих напряжений и увеличение сжимающих, о чем характеризует явно выраженный тренд всех приведенных графиков на рис. 2—7.

2. В висячем боку в середине этажа (в точке В) величина напряжения практически не зависит от угла падения рудного тела, спрэд величин составляет не более БМПа (рис. 3). То же явление характерно для верхней части этажа висячего бока (в точке С) линии графиков в этой точке при углах падения рудного тела а = 80°^85° практически сливаются (рис. 4).

3. В нижней части этажа лежачего бока (в точке А1) на рис. 5 выявлено аномальное поведения величин напряжений. При угле падения рудного тела а = 60° величины сжимающих напряжений ниже чем при угле падения рудного тела равного а = 700.

4. При увеличении угла падения рудного тела с 600 до 85и в верхней части этажа (в точках С и С1) наблюдается увеличение растягивающих напряжений, как в висячем, так и в лежачем боках. В середине этажа (в точке В) в висячем боку наблюдается небольшое снижение растягивающих напряжений, а в лежачем боку (в точке В1) при а = 60°^70° — снижение сжимающих напряжений, переходящее в растяжение при а = 80°^85°. В нижней части этажа (в точке А) в висячем боку уменьшаются растягивающие напряжения, а в лежачем боку (в точке А1) сжимающие.

5. При увеличении мощности рудного тела с 20 м до 100 м в верхней части этажа ( в точках С, С1) в висячем, лежачем боках и в середине этажа в висячем

боку (в точках В, В1) наблюдается снижение растягивающих напряжений. В лежачем боку в середине этажа (в точке В1) при а = 60°^70° наблюдается увеличение сжимающих напряжений, а при а = 800^850 — уменьшение растягивающих напряжений. В нижней части этажа в висячем боку (в точке А) наблюдается уменьшение растягивающих напряжений (при а = 600-700), увеличение сжимающих напряжений (при а = 800^850) и также увеличение сжимающих напряжений в лежачем боку (в точке А1).

6. При угле падения рудного тела равном 600 (рис. 1) в лежачем боку сжимающие напряжения изменяются от -34,9 МПа (при т = 20 м) до -45, 4 Мпа (при т = 100 м). В верхней части камеры наблюдается растяжение от +4,7 МПа (при т = 20 м) до +1,0 МПа (при т = 80 м). В висячем боку максимальные растягивающие напряжения изменяются от +29,7 МПа (при т = 20 м) до + 10,9 МПа (при т = 100 м).

7. При угле падения рудного тела равном 700 в лежачем боку в верхней части камеры растягивающие напряжения изменяются от +9,2 МПа (~1/2Ьк при т = 20 м) до +2,9 МПа (~1/4Ьк при т= 100 м), в нижней части камеры сжатие от -24,8 МПа (при т = 20 м) до -36,2 МПа (при т = 100 м). В висячем боку растягивающие напряжения от +20,4 МПа (при т = 20 м) до +8,3 МПа (при т = 100 м).

Таким образом, с увеличением угла падения рудного тела (а) с 600 до 850 величины растягивающих напряжений, действующих в висячем боку, уменьшаются

Рис. 9. Схема распределения напряжений на контуре камер при мощности рудного тела 60м: а) при а = 60°; б) при а = 70

т = 60 м

Рис. 10. Схема распределения напряжений на контуре камер с трещиной разрыва при в = 70°

практически в 2 раза, но они все равно довольно высоки, что должно приводить к разрушению торцевых стенок камер и обрушению налегающих пород висячего бока, увеличивая разубоживание руды. Только при а = 850 в нижней части камеры (в точке А1) (~ ^к) растягивающие напряжения сменяются на сжимающие. В большей части лежачего бока при а = 600 действуют сжимающие напряжения и только в верхней части камеры наблюдается небольшая зона действия незначительных по величине растягивающих напряжений. С увеличением угла падения рудных тел область сжатия в лежачем боку уменьшается, а растяжения увеличивается, что должно приводить к его разрыву. Но и в этих условиях (по опыту отработки других месторождений) вероятность сползания значительных объемов нарушенного массива пород лежачего

бока в выработанное пространство отрабатываемой камеры ниже, чем пород висячего бока.

Следовательно, при отработке рудных тел месторождения (особенно при а = 600-650, что наиболее часто наблюдается на большой глубине) наиболее целесообразно очистную выемку вести от лежачего бока к висячему.

В качестве мероприятий по снижению напряженного состояния массива висячего бока, было предложено два метода. Оставление целика в днище камеры, и оформление разгрузочной щели на уровне подэтажа (рис. 8).

С целью определения наиболее оптимального места расположения трещин разрыва были проведены аналитические расчеты распределения напряжений, действующих в висячем и лежачем боках камер при отработке рудных тел мощностью 60м и углами падения 600 и 700 для следующих вариантов.

В результате анализа полученных результатов установлено, что в данных условиях наиболее целесообразно трещину разрыва оформлять на верхнем подэтаже в висячем боку на уровне точки В. Рассчитанные максимальные напряжения сттах, действующие со стороны висячего и лежачего боков камер при данной схеме разгрузки массива приведены на рис. 9, а(для угла падения рудного тела 60о) и 9, б(для угла падения рудного тела 70о).

Как видно, в висячем боку за счет оставления треугольного массива под ним, в нижней половине этажа наблюдается только сжатие, а в верхней половине за счет образования трещины разрыва, растягивающие напряжения уменьшаются практически в 2 раза.

Также были рассчитаны максимальные напряжения сттах, действующие со стороны висячего и лежачего боков камер, для различных углов в в основании оставляемого треугольного массива. Установлено, что наиболее оптимально оставлять этот массив с углом (3 равным 70° (рис. 10). 8Ш

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Бирючев И.В. — младший научный сотрудник, stress.igd@rnail.ru

Зубков А.В. — главный научный сотрудник, доктор технических наук, stress.igd@rnail.ru Смирнов О.Ю. — с. научный сотрудник, кандидат технических наук, stress.igd@rnail.ru Институт горного дела УрО РАН, лаборатория геодинамики и горного давления, stress.igd@rnail.ru

_Д