Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса. цели и задачи исследования 10
1.1. Основные особенности отработки Верхнекамского месторождения солей. 10
1.2. Инженерные методы определения несущей способности горнотехнических элементов 15
1.3. Применение методов математического моделирования для анализа устойчивости междукамерных целиков 25
1.4. Цели и задачи исследования 34
ГЛАВА 2. Физическое и математическое моделирование влияния неоднородного строения образцов горных пород на прочностные свойства 36
2.1 Определение свойств продуктивных пород Новомосковского
месторождения гипса 36
2.2. Лабораторные исследования влияния подстилающего слоя мергеля на несущую способность гипсовых образцов 43
2.3. Математическое описание результатов экспериментальных исследований 45
2.4. Исследование влияния глинистых прослоев на несущую способность соляных образцов 48
2.5. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния неоднородных соляных образцов 55
2.6. Выводы 61
ГЛАВА 3. Анализ несущей способности неоднородных междукамерных целиков 63
3.1. Влияние подстилающего слоя мергеля на несущую способность гипсовых целиков 63
3.2. Анализ факторов, влияющих на степень нагружения слоисто-неоднородных соляных целиков 67
3.3. Оценка устойчивости неоднородных соляных междукамерных целиков... 78
3.4. Выводы з
ГЛАВА 4. Оценка устойчивости целиков в процессе разрушения слоисто-неоднородного технологического междупластья 87
4.1. Предельные изменения степени нагружения междукамерных целиков при разрушении технологического междупластья 87
4.2. Анализ изменения степени нагружения соляных целиков при разрушении слоисто-неоднородной кровли 93
4.3. Математическое моделирование изменения степени нагружения соляных целиков с учетом разрушения их краевых частей и обрушения кровли 108
4.4. Выводы 112
ГЛАВА 5. Геомеханический анализ изменения степени нагружения междукамерных целиков во времени 114
5.1. Оценка изменения степени нагружения междукамерных целиков во времени на основе результатов лабораторных исследований 114
5.2. Методика построения кривой длительной прочности по прогнозным графикам нарастания оседаний 122
5.3. Математическое моделирование изменения степени нагружения междукамерных целиков во времени 127
5.4. Выводы 132
Заключение 134
Список использованных источников
- Применение методов математического моделирования для анализа устойчивости междукамерных целиков
- Лабораторные исследования влияния подстилающего слоя мергеля на несущую способность гипсовых образцов
- Анализ факторов, влияющих на степень нагружения слоисто-неоднородных соляных целиков
- Анализ изменения степени нагружения соляных целиков при разрушении слоисто-неоднородной кровли
Введение к работе
Актуальность темы диссертации:
Освоение месторождений водорастворимых руд, как правило, осуществляется камерной системой разработки с поддержанием вышележащей толщи опорными междукамерными целиками (МКЦ) различных размеров. Устойчивость междукамерных целиков функционально связана с обеспечением сохранности водозащитной толщи (ВЗТ), которая отделяет водоносные горизонты от выработанного пространства. Нарушение сплошности ВЗТ обуславливает прорыв пресных вод в горные выработки, что нередко приводит к гибели рудника и возникновению сопутствующего комплекса негативных последствий для подработанных территорий. Множественные примеры подобных аварийных ситуаций свидетельствуют о несовершенстве методов определения параметров системы разработки не только в нашей стране, но и за рубежом.
Время сохранения устойчивости целиков определяется конкретными требованиями к технологии ведения горных работ и зависит от комплекса горногеологических и горнотехнических факторов. Продуктивная толща, как правило, характеризуется неоднородным строением, выраженным в слоистой структуре с включением тонких прослоев низкопрочных пород. Такие прослои образуют поверхности ослабления продуктивных пластов, вследствие чего снижается устойчивость опорных элементов камерного блока. Ввиду недостаточности знаний о влиянии этих и многих других факторов на несущую способность междукамерных целиков прогнозные значения срока их службы в ряде случаев оказываются завышенными.
Стремительное развитие вычислительной техники в XX в. открыло новые перспективы в изучении недр. Применение математического моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) подработанных породных толщ в сочетании с совершенствованием экспериментально-исследовательской базы позволяет осуществлять более детальное изучение происходящих в них геомеханических процессов. В этой связи диссертационная работа, посвященная геомеханическому анализу устойчивости несущих элементов камерной системы разработки в осложненных горно-геологических условиях, представляется актуальной и имеет важное значение для практики обеспечения безопасности горных работ.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научных исследований ГИ УрО РАН по госбюджетным темам «Геомеханическое обеспечение высокоэффективного и безопасного освоения месторождений водорастворимых руд в зонах градопромышленных агломераций» (№ гос. per. 01200955521), «Деформирование и разрушение конструктивных элементов горнотехнических систем в сложных геологических условиях» (№ гос. per. 01201350098), программой фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные проблемы механики и смежных наук в изучении многомасштабных процессов в природе и технике» (проект «Проблемы устойчивости структурно-неоднородных элементов горнотехнических систем», № гос. per. 01201268440); грантом РФФИ №11-05-96020-рурала «Разработка критериев разрушения горнотехнических объектов» (№ гос. per. 01201170923), грантом РФФИ среди молодых ученых («Мой первый
грант») № 12-05-31482 мола «Оценка влияния неоднородного строения продуктивной толщи на несущую способность горнотехнических объектов» (№ гос. per. 01201277691).
Целью диссертационной работы является геомеханический анализ изменения несущей способности слоистых междукамерных целиков во времени с учетом взаимосвязанных процессов разрушения их краевых частей и обрушения пород междупластья.
Идея работы основана на поэтапном математическом моделировании изменения степени нагружения междукамерных целиков вследствие разрушения горных пород.
Задачи исследований:
-
Выполнить анализ теоретических и экспериментальных исследований несущих элементов камерной системы разработки в условиях слоисто-неоднородного строения породного массива.
-
Провести испытания модельных аналогов междукамерных целиков и сформулировать адекватное теоретическое описание результатов экспериментов для калибровки математической модели их деформирования и разрушения.
-
Произвести геомеханическую оценку изменения несущей способности слоистых междукамерных целиков в зависимости от их формы, пространственного положения и свойств глинистых прослоев.
-
Оценить влияние процессов обрушения пород кровли, разрушения краевых частей междукамерных целиков на степень их нагружения.
-
Разработать подходы к анализу изменения устойчивости междукамерных целиков, адекватно отражающие реальные процессы их разрушения во времени, и провести верификацию полученных оценок.
Методы исследований включали обработку и анализ результатов лабораторных и натурных измерений, математическое моделирование, основанное на аппарате механики сплошных сред, применение современных вычислительных алгоритмов и процедур.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Предложена методическая схема калибровки математической модели деформирования и разрушения слоистых междукамерных целиков, основанная на теоретическом описании результатов лабораторных испытаний физических аналогов в виде составных неоднородных образцов горных пород и позволяющая скорректировать параметрическое обеспечение геомеханических расчетов.
-
Для структурно-неоднородных соляных междукамерных целиков установлено количественное влияние комплекса факторов, определяющих изменение их несущей способности. К основным из них относятся: мощность, влажность и пространственное положение глинистых прослоев, отношение ширины целика к его высоте, мощность междупластья, технологические схемы очистной выемки.
-
Разработана методика геомеханического анализа изменения степени нагружения междукамерных целиков во времени, базирующаяся на математическом описании взаимосвязанных процессов разрушения конструктивных элементов камерной системы разработки, критериях обрушения пород кровли и натурных оценках кривой длительной прочности.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, достигается представительным объемом лабораторных и экспериментальных исследований, выполненных с использованием апробированных методик и сертифицированного оборудования, применением адаптированного параметрического обеспечения, верификацией математических моделей, удовлетворительным качественным и количественным соответствием результатов численных расчетов и натурных наблюдений.
Научная новизна работы:
-
Для Новомосковского месторождения гипса установлено, что обнажение мергеля, залегающего в основании междукамерных целиков, при его мощности более 0.5 м оказывает негативное влияние на их устойчивость, снижая ее в среднем более чем на 10 %.
-
Методами математического моделирования показано, что увеличение степени нагружения реализуется при залегании глинистого прослоя вблизи верхнего основания целика. С удалением глинистого прослоя от кровли вверх по разрезу отмечается интенсивное снижение его влияния на несущую способность целика. На расстоянии более 1.2 м воздействием глинистого прослоя можно пренебречь.
-
Для условий Верхнекамского месторождения солей (ВКМС) установлено, что вне зависимости от технологии очистной выемки (оставление защитной пачки или подрубка коржей) изменение степени нагружения целиков обусловлено воздействием трех нижних глинистых прослоев. При очистной выемке с оставлением защитной пачки влияние глинистых прослоев имеет место только при отношении ширины целика к его высоте более 1.33. При этом увеличение степени нагружения целиков при нормальной влажности глинистых прослоев не превышает 6 %, при повышенной влажности может достигать 15 %. При проходке очистных камер с подрубкой коржей увеличение степени нагружения целиков составляет до 10 % при нормальной влажности и 20 % при повышенной.
-
Разработана методика построения аналогов кривой длительной прочности соляных междукамерных целиков, базирующаяся на анализе графиков нарастания оседаний земной поверхности. На основе данной методики предложены новые подходы к оценке изменения степени нагружения междукамерных целиков в реальном масштабе времени, учитывающие процессы разрушения их краевых частей и обрушения пород междупластья.
Практическая значимость:
-
Разработана методика анализа изменения во времени несущей способности междукамерных целиков в условиях слоистого строения подработанного массива.
-
Даны количественные оценки снижения несущей способности междукамерных целиков Новомосковского месторождения гипса при обнажении подстилающего слоя мергеля.
-
Для условий Верхнекамского месторождения солей получены зависимости увеличения степени нагружения междукамерных целиков в условиях повышенной глинизации при различных технологических схемах очистной выемки.
Реализация работы:
Основные результаты диссертационной работы использованы для обоснования безопасных параметров ведения горных работ на Новомосковском месторождении гипса и на участках с повышенной глинизацией пород рудников ПАО «Уралкалий».
Апробация работы:
Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на ряде всероссийских и международных конференций, в том числе на региональной научно-практической конференции «Геология и полезные ископаемые западного Урала» (Пермь, 2010 г.), I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Геология в развивающемся мире» (Пермь, 2010 г.), VII Международной научной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (Тула, 2010 г.), Международных научных симпозиумах «Неделя горняка - 2011» и «Неделя горняка - 2013» (Москва, 2011 г., 2013 г.), на научных сессиях и семинарах Горного института УрО РАН (Пермь, 2007-2015 гг.).
Публикации:
По теме диссертационного исследования опубликовано 13 работ, из них 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК.
Объем работы и ее структура:
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 197 страницах машинописного текста, включая 66 рисунков, 14 таблиц, 3 приложения и список использованной литературы из 190 наименований.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность сотрудникам лаборатории механики горных пород, физических проблем освоения георесурсов Горного института УрО РАН за плодотворное сотрудничество, внимание, поддержку и ценные советы, а также инженерно-техническим работникам ПАО «Уралкалий» и ООО «КНАУФ ГИПС Новомосковск» за конструктивную помощь в проведении экспериментальных исследований и внедрении практических результатов работы.
Применение методов математического моделирования для анализа устойчивости междукамерных целиков
Поддержание налегающей толщи над выработанным пространством с помощью междукамерных целиков представляет собой широко распространенный в практике разработки полезных ископаемых способ безопасного ведения горных работ. Эффективность его применения во многом определяется достоверностью расчетных оценок устойчивости целиков, которые, в свою очередь, зависят от полноты учета различных факторов, влияющих на напряженно-деформированное состояние и предельную несущую способность. Методов расчета целиков известно достаточно много. Принципиально все они сводятся к сравнению нагрузки, действующей на целик, с его предельной несущей способностью. В этом смысле проблему расчета устойчивости целиков можно формально разделить на два вопроса: первый - определение действующей нагрузки на целик; второй - оценка несущей способности целика.
Вероятно, один из первых методов расчета устойчивости опорных целиков был предложен в 1884 г. Л.-М. Турнером [188] применительно к камерной системе разработки строительных материалов. В основе метода лежит гипотеза, что опорные целики несут нагрузку от веса столба пород (от уровня залежи до дневной поверхности), ограниченного в плане осями симметрии прилегающих к целику камер, которая сравнивается с прочностью образцов кубической формы. Условием сохранения несущей способности целиков является выполнение неравенства: где Р - средняя нагрузка на целик, Q - несущая способность целика, S - суммарная площадь разработки; s - суммарная площадь опорных целиков; Н0 - глубина разработки; у - объемный вес пород; т0 - прочность на сжатие образцов кубической формы.
Дальнейшее развитие методика Л.-М. Турнера получила в работах Ж-Н. X. Гупийера [181], Л.-Е. Грюнера [182], Л.Д. Шевякова [165, 166], К. Кегеля [185], М. Стаматиу [145], С.Г Авершина [1], М.П. Нестерова [114] и многих др. Предложенные методы были направлены на совершенствование оценки прочности целиков за счет введения корректирующих коэффициентов. Так, Ж-Н. X. Гупийер ввел коэффициент запаса, на который в расчетной формуле (1.1) уменьшается прочность образцов на сжатие. Л.Д. Шевяков, помимо коэффициента запаса прочности, предложил учитывать влияние формы целиков. Согласно его гипотезе, коэффициент формы определяется экспериментально и характеризует зависимость прочности целиков от отношения их высоты к ширине. В методиках К. Кегеля и М. Стаматиу предложено учитывать масштабный фактор с помощью эмпирического коэффициента, отражающего изменение прочности с увеличением линейных размеров образцов. Следует отметить, что помимо факторов, обозначенных выше, в целях усовершенствования оценки прочности целиков учитываются и иные параметры. Для различных месторождений полезных ископаемых и горно-геологических условий разработки вводятся свои поправочные коэффициенты, определяющие снижение прочности вследствие трещиноватости породного массива, неоднородности его строения, угла падения залежи и пр. Так, в работе [32] учитывается наличие в целиках прослоев низкой прочности. В [106] при определении устойчивых размеров соляных междукамерных целиков различной податливости в расчетные формулы введена скорость установившейся ползучести.
Развитие инженерных методов расчета целиков происходило и в направлении уточнения характера распределения действующей нагрузки. Ряд методов основан на гипотезе свода, согласно которой над выработкой в толще пород образуется свод давления, воспринимающий на себя вес вышележащих пород. Таким образом, опорные горнотехнические элементы несут на себе вес лишь подсводо-вой части пород. Одним из первых эту гипотезу выдвинул В. Риттер [186] в 1879 г. применительно к определению нагрузки действующей на крепь. В России в этом направлении большое распространение получили работы М.М. Протодьяконова [126, 127]. П.М. Цимбаревич [158] развил теорию М.М. Протодьяконова применительно к породам со сцеплением. Им же было введено понятие угла внутреннего сопротивления. Проблемой определения давления на междукамерные целики занимался К.В. Руппенейт совместно с Н.А. Давыдовой [133]. На основе гипотезы свода и ее модификаций предложено множество методов расчета междукамерных целиков, в частности Н.З. Галаевым [42], Ш.М. Айталиевым [2], СИ. Калининым [71], Д.В. Сидоровым [142]. В стремлении преодолеть недостатки методов расчета, основанных на гипотезе свода, в работе [41] предложен метод расчета барьерных и междукамерных целиков на основе теории арочных систем, согласно которой породный массив представляется в виде системы взаимодействующих между собой рациональных арочных элементов параболического либо эллиптического очертания. При расчете целиков рассматриваются соответствующие системы рациональных элементов, воспринимающие нагрузку от собственного веса и веса вышележащих пород. Давление на целики определяется в виде реакций опор от систем несущих арочных элементов.
Гипотезу о том, что кровля, сложенная слоистыми породами, работает подобно плите, активно развивали В.Д. Слесарев [143], А.П. Герман [45] и др. В.Д. Слесарев доказал, что кровля, сложенная твердыми слоистыми породами, как трещиноватыми, так и не трещиноватыми, деформируется подобно пачкам плит, что нашло подтверждение в многочисленных шахтных исследованиях.
Несмотря на несовершенство инженерных методов расчета, они применяются для определения параметров камерной системы разработки ввиду относительной простоты их использования. Методика Турнера-Шевякова нашла широкое практическое применение в горной промышленности на рудниках с большими площадями отработки и большим количеством целиков. В этих условиях результаты расчетов незначительно отличаются от полученных более точными методами и вполне пригодны для инженерной горной практики [132]. В той или иной модификации с использованием различных коэффициентов, уточняющих несущую способность целиков, метод Турнера-Шевякова вполне успешно применяется во всем мире при освоении месторождений полезных ископаемых камерно-столбовой системой разработки [30]. В частности, на Новомосковском гипсовом комбинате была опробована модифицированная методика Турнера-Шевякова, в которой при расчете величины давления на целики учитывалась теория свода естественного равновесия. При определении давления с помощью коэффициента рассчитывалось, какая часть всего веса пород фактически оказывает воздействие на целики.
Для ВКМС исследования, выполненные в работах [46, 47, 105, 114, 173, 187, и др.], позволили установить ряд закономерностей деформирования и разрушения несущих элементов камерной системы разработки, которые положены в основу инженерной методики их расчета, включенной в нормативные документы по защите калийных рудников от затопления [108, 150]. В частности, определение степени нагружения междукамерных целиков [150] базируется на методике Турнера-Шевякова [166, 188], модифицированной с учетом результатов выполненных на ВКМС экспериментальных исследований:
Лабораторные исследования влияния подстилающего слоя мергеля на несущую способность гипсовых образцов
Полученные на этапе физического моделирования количественные оценки влияния глинистых прослоев на несущую способность сильвинитовых образцов послужили исходной информацией для верификации и настройки математической модели деформирования междукамерных целиков. Калибровка проводилась путем теоретического описания лабораторных экспериментов методами математического моделирования напряженно-деформированного состояния составных сильвинитовых образцов. Схема расчета, представленная на рис. 2.15, соответствует размерам и условиям испытаний составных образцов.
Численная реализация данной задачи проводилась в упругой и упруго-пластической постановке методом конечных элементов. При этом упруго-пластическая модель Друкера-Прагера [58] описывала деформирование только глинистого слоя. Критерием перехода глины в пластическое состояние являлось превышение предельного значения максимальных касательных напряжений: 2 sin ер
Некоторые результаты распределения нормированной интенсивности напряжения (параметра К) в образце с глинистым прослоем при нормальной его влажности (6 %) приведены на рис. 2.16 (упругая модель глины) и рис. 2.17 (упруго-пластическая модель глины). Аналогичные распределения при влажности глины 12 % приведены на рис. 2.18 (упругая модель) и рис. 2.19 (упруго-пластическая модель). Как видно, повышение мощности глинистого прослоя обу-славливает увеличение параметра К , что свидетельствует о снижении несущей способности образца. С увеличением влажности глинистого прослоя снижение прочности образцов интенсифицируется. Обращает внимание, что максимальные значения интенсивности напряжений в образце приурочены к контакту «сильви 57 нит-глина». Это указывает, что именно здесь локализуется начальная стадия разрушения. Данные результаты полностью согласуются с характером разрушения составных образцов при лабораторных экспериментах.
На рис. 2.20 в соответствии с расчетной формулой (2.4) иллюстрируется снижение несущей способности образца с глинистым прослоем по отношению к его монолитному аналогу в зависимости от мощности глины и ее влажности. Здесь же приведены данные экспериментальных исследований. Как видно, при нормальной влажности глины (6 %) результаты испытаний хорошо описываются даже упругой моделью (рис. 2.20, а). Некоторое расхождение расчетных и лабораторных данных при толщине глинистого прослоя 13 мм и 17 мм может быть обусловлено непредставительностью экспериментальной выборки. Для образца с повышенной влажностью глины предпочтительно использовать упруго-пластическую модель ее деформирования (рис. 2.20, б).
Зависимость прочности составных образцов от относительной мощности глинистого прослоя при его влажности 6 % (а), 12 % (б) Таким образом, выполненные экспериментальные и теоретические исследования показали, что предложенный подход обеспечивает адекватное определение изменения несущей способности образцов при наличии глинистых прослоев и может быть использован для оценки увеличения степени нагружения междукамерных целиков в условиях повышенной глинизации. Согласно полученным результатам, при залегании глинистого прослоя в кровле основными факторами, влияющими на несущую способность целиков, являются относительная мощность глинистого прослоя и его влажность.
На основе экспериментальных исследований определены прочностные и деформационные характеристики слагающих пород Новомосковского месторождения гипса. Установлено, что влажность оказывает существенное влияние на механические свойства мергеля. При увеличении влажности с 3.7 % до 15.5 % пределы прочности на сжатие и растяжение уменьшаются почти в 10 раз. Еще большее снижение (в 20 раз) характерно для деформационных показателей.
Физическое моделирование несущей способности междукамерных целиков по методике составных образцов показало, что при деформировании составных образцов первым разрушается ослабленный слой (мергель, глина), а разупрочнение составного образца начинается с области контакта по трещинам, ориентированным по линии действия сжимающего напряжения. Увеличение влажности ослабленного слоя в составном образце приводит к существенному снижению прочности всей модели. Основными факторами, влияющими на снижение прочностных и деформационных показателей, являются мощность слабого прослоя и его влажность.
Анализ факторов, влияющих на степень нагружения слоисто-неоднородных соляных целиков
Изменение степени нагружения междукамерных целиков в процессе разрушения технологического междупластья для второго варианта отработки (/ = 12 м) показано на рис. 4.7. Здесь вследствие меньшей ширины очистной камеры на пласте КрП {а = 6 м) процесс разрушения междупластья развивается в основном за счет действия растягивающих напряжений и образования трещин отрыва.
Полное обрушение междупластья происходит только при его мощности h = 2 м (рис. 4.7, г), что обуславливает увеличение степени нагружения объединенного целика АБ+КрП по отношению к целику на пласте КрП с 0.37 до 0.47 (на 27 %). При мощности междупластья 8, 6 и 4 м (рис. 4.7, а, б, в) вследствие его разрушения высота очистной камеры на пласте КрП увеличивается на одинаковую величину - 1.8 м. В этой связи примерно одинаковым является изменение степени нагружения междукамерных целиков с 0.37 до 0.42 (увеличение на 14 %). Степень нагружения целика на пласте АБ остается практически неизменной.
Для данного варианта отработки также построена зависимость максимальной степени нагружения междукамерных целиков при разрушении технологического междупластья от его исходной мощности, представленная на рис. 4.8. На данном графике формально экстремум отсутствует, что связано с издержками расчетных вариантов. Так, например, если бы выполнялся расчет для мощности междупластья h = 1 м, то максимально достижимая степень нагружения целика на пласте КрП примерно соответствовала бы h = 2 м. Больший интерес на рис. 4.8 представляет стабилизация максимальной степени нагружения начиная с определенной мощности междупластья. Это обусловлено тем, что для конкретных параметров отработки разрушение междупластья завершается при формировании устойчивого свода в кровле очистной камеры. Высота этого свода практически не зависит от мощности междупластья, и соответствующее изменение степени нагружения междукамерных целиков выходит на асимптоту.
В предыдущем разделе выполнен геомеханический анализ изменения степени нагружения междукамерных целиков на пластах АБ и КрП в процессе обрушения технологического междупластья. При этом оценка данного показателя производилась без учета собственного разрушения междукамерных целиков. Вместе с тем, оба этих процесса (обрушение междупластья и разрушение целиков) протекают взаимосвязано: обрушение кровли, как уже отмечалось, обуславливает снижение несущей способности целиков, а разрушение краевой части целиков ведет к увеличению пролета очистных камер и дополнительному разрушению междупластья. Такая взаимосвязь несущих элементов камерного блока должна обуславливать еще большее увеличение степени нагружения междукамерного целика в сравнении с результатами исследований (разд. 4.2).
Для того чтобы иметь возможность сопоставить результаты численных экспериментов двух исследований, математическое моделирование напряженно-деформированного состояния двухпластового камерного блока проводилось для варианта отработки, представленного в разд. 4.2. Принципиальная расчетная схема изображена на рис. 4.3, параметры отработки указаны в табл. 4.5, геологический разрез и его характеристики - в табл. 4.4. Оценка разрушения краевых частей междукамерных целиков вследствие растяжения осуществлялась согласно критерию (4.6).
Изменение степени нагружения междукамерных целиков в процессе разрушения стенок камеры и технологического междупластья мощностью h = 8 м при параметрах отработки с межосевым расстоянием / = 12 м иллюстрируется на рис. 4.9. Как видно из представленных результатов, при постепенном разрушении несущих элементов двухпластового камерного блока наблюдается монотонное повышение степени нагружения целика на пласте КрП. Вследствие разрушения технологического междупластья увеличивается высота целика т, а образование трещин отрыва в краевых частях обуславливает его разрушение и приводит к уменьшению ширины Ь. К моменту образования устойчивого свода в кровле очи 109 стной камеры пласта КрП ширина целика уменьшается на 2 м (30 %), а его высота увеличивается на 2.5 м. Вследствие реализации этих процессов степень нагруже-ния целика на пласте КрП увеличивается с 0.35 до 0.7, т. е. в 2 раза (рис. 4.9, а-г). При этом степень нагружения целика на пласте АБ меняется незначительно.
Как уже было установлено, изменение мощности междупластья существенно влияет на несущую способность междукамерных целиков. На рис. 4.10 иллю по стрируется динамика разрушения несущих элементов камерной системы разработки при / = 12 м и мощности междупластья h = 4 м. Механизм разрушения несущих элементов камерной системы разработки принципиально не отличается от варианта с мощностью междупластья h = 8 м (рис. 4.9). Более выраженно разрушение междупластья проявляется не только в кровле пласта КрП, но и в почве пласта АБ. К моменту образования устойчивого свода в кровле очистной камеры пласта КрП степень нагружения целика на пласте КрП меняется с 0.35 до 0.75 (более чем в 2 раза), ширина целика уменьшается до 3.4 м, его высота увеличивается на 3.2 м (рис. 4.10, а-г). Остаточная мощность междупластья по центру камер уменьшается с 4 до 0.4 м.
Уменьшение мощности технологического междупластья обуславливает повышение степени нагружения междукамерного целика на пласте АБ в 1.85 раза (с 0.20 до 0.37), что объясняется отмеченными ранее особенностями процесса разрушения и формирования объединенного целика АБ+КрП.
Аналогичные расчеты были проведены при мощности междупластья h = 6 и 2 м, а также для варианта отработки с межосевым расстоянием 1 = 21 м с варьированием мощности междупластья h от 8 до 2 м. Изменение степени нагружения междукамерных целиков и механизмы процессов разрушения в качественном отношении подобны результатам, представленным на рис. 4.9-4.10, и в работе не приводятся.
На основе результатов математического моделирования построена зависимость максимальной степени нагружения междукамерных целиков при разрушении их краевых частей и технологического междупластья от исходной мощности междупластья (рис. 4.11, линия 2). На этих же рисунках приведены графики, полученные по результатам исследований в предыдущем разделе (линия 7). Для параметров отработки с межосевым расстоянием / = 27м (рис. 4.11, а) изменения степени нагружения целиков качественно подобны результатам исследований разд. 4.2: наблюдается экстремум при мощности междупластья h = 4 м.
Анализ изменения степени нагружения соляных целиков при разрушении слоисто-неоднородной кровли
Как было установлено (разд. 5.1), при математическом моделировании геомеханических процессов во времени встает проблема адекватного учета кривой длительной прочности в качестве параметрического обеспечения расчетной модели. В разд. 5.2 предпринята попытка построения кривой изменения прочностных свойств соляных пород во временном масштабе, соответствующем реальным геомеханическим процессам. В результате проведенного анализа получена кривая длительной прочности междукамерных целиков, временной масштаб которой исчисляется годами и десятилетиями. Это позволяет говорить о возможности учета кривой длительной прочности в качестве адекватного параметрического обеспечения математического моделирования геомеханических процессов во времени.
Анализ изменения степени нагружения междукамерных целиков во времени базировался на математическом моделировании напряженно-деформированного состояния камерного блока (см. рис. 4.3), критериальной оценке разрушения технологического междупластья и краевых частей целиков в соответствии с изложенной выше методикой. При этом в расчетах учитывалась кривая длительной прочности, построенная на основе прогнозных графиков нарастания оседаний земной поверхности (рис. 5.10).
Геомеханические расчеты представляли собой четыре (по числу вариантов набора параметров отработки, табл. 5.2) серии численных экспериментов в виде шаговой процедуры. На каждом шаге решалась задача определения временного отрезка, в течение которого степень нагружения целика С вследствие разрушения несущих элементов камерной системы разработки и снижения прочностных свойств увеличивалась на 0.1. Серия вычислений продолжалась до достижения значения С = 1, что характеризует полную потерю несущей способности целика.
Динамика изменения степени нагружения междукамерного целика во времени в процессе разрушения его краевых частей и технологического междупластья для одного из вариантов расчета (табл. 5.2) иллюстрируется на рис. 5.11.
Разрушение несущих элементов камерной системы подземной разработки для расчетной схемы, где исходная степень нагружения целика на пласте КрП равна 0.4, представлено на рис. 5.11, а. В процессе разрушения междупластья и краевых частей целика наблюдается повышение степени его нагружения. Вычислительная процедура продолжалась до достижения целиком пласта КрП степени нагружения 0.52 (рис. 5.11, а). Длительность этого процесса tx составляет 12 лет.За этот временной отрезок ширина целика Ъ уменьшается, а пролет камеры а увеличивается на 1 м. Высота целика т увеличивается на 0.5 м. Измененные параметры несущих элементов камерной системы разработки пласта КрП ложатся в основу следующего этапа вычислений в шаговой процедуре (рис. 5.11, б). Отметим, что на пласте АБ конструктивные элементы камерной системы разработки не подвергаются существенному разрушению и степень нагружения целика остается в пределах См = 0.2.
Время изменения степени нагружения целика с Ск и = 0.52 до Ск п = 0.63 составило t2 = 7 лет (рис. 5.11, б), а с СКрП = 0.63 до СКрП = 0.72 - ґ3 = 3 года (рис. 5.11, в). Изменение степени нагружения с 0.73 до 1 (полная потеря несущей способности целика) оценивается в t4 = 1 год (рис. 5.11, г). Таким образом, получаем временной отрезок, в течение которого данный целик сохраняет свою несущую способность: Т = tl+t2 +t3 +t4 =23 года. Аналогичная процедура математического моделирования выполнялась и для остальных принятых начальных степеней нагружения целиков на пласте КрП (табл. 5.2). Согласно полученным оценкам, при С0=0.5 время потери устойчивости целиков составляет 15 лет, при С0 = 0.6 - 8.5 лет, при С0 = 0.7 - 1.5 года (рис. 5.12). Отметим, что на пласте АБ конструктивные элементы камерной системы разработки не подвергаются существенному разрушению и степень их нагружения остается в пределах С = 0.2 (рис. 5.11).
Трансформация результатов математического моделирования (рис. 5.12) в зависимость, построенную в координатах «С0 - tr» (кривая 7, рис. 5.13), согласно (5.1) и (5.2), является аналогом графика коэффициента длительной прочности. В этой связи верификация полученных расчетных оценок может базироваться на фактической информации о развитии сдвижения во времени, которая отражает весь комплекс геомеханических процессов, сопровождающих деформирование междукамерных целиков: разрушение их краевых частей, обрушение кровли, эффекты ползучести. Анализ данных наблюдений за сдвижением земной поверхности проводился в соответствии со схемой, приведенной на рис. 5.8.
Кривые нарастания оседаний земной поверхности группировались по значениям исходной расчетной степени нагружения целиков на пласте КрП (С0 = 0.2-0.3; 0.3-0.4; 0.4-0.5; 0.5-0.6; 0.6-0.7). Было обработано порядка 400 протоколов наблюдений за поверхностными реперными станциями. Из них около 150 графиков нарастания оседаний позволили оценить фактическое время (tr) потери несущей способности междукамерных целиков. По результатам статистической обработки фактических данных для каждого заданного интервала степени нагружения установлено время разрушения междукамерных целиков. Получен 132 ные оценки, также представленные в координатах «С0 - tr», иллюстрируются в виде кривой 2 на рис. 5.13.