Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ производственного опыта и результатов научно-исследовательских работ по повышению устойчивости подготовительных выработок в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления 14
1.1. Анализ отечественного и зарубежного производственного опыта повышения эффективности технологии проведения подготовительных выработок и обеспечения их устойчивости 14
1.2. Анализ методов и алгоритмов обоснования геомеханических параметров подготовительных выработок угольных шахт 22
1.3. Анализ результатов научно-исследовательских работ по повышению устойчивости подготовительных выработок в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления 29
1.4. Обоснование актуальности геомеханического прогноза устойчивости подготовительных выработок в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления 38
2. Разработка методики геомеханической интеграции пространственной ориентировки трещин и горных выработок 42
2.1. Разработка программы исследований устойчивости подготовительных выработок в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления 42
2.2. Разработка алгоритма определения интегрального геолого-технологического параметра трещиноватости горных пород в окрестности подготовительных выработок 46
2.3. Систематизация природных и техногенных систем трещин по результатам шахтных исследований геомеханических процессов в окрестности подготовительных выработок 55
2.4. Выводы 63
3. Шахтные исследования закономерностей изменения прочности массива горных пород и элементов крепи подготовительных выработок при одиночном и совместном влиянии геологических нарушений и повышенного горного давления 64
3.1. Методика проведения шахтных исследований и схемы наблюдательных станций 64
3.2. Выбор и характеристика объекта шахтных исследований 69
3.3. Шахтные исследования устойчивости подготовительных выработок в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления 77
3.3.1. Шахтные исследования смещений горных пород и деформаций элементов крепи в зонах повышенного горного давления 79
3.3.2. Шахтные исследования смещений горных пород и деформаций элементов крепи в зонах геологических нарушений 87
3.3.3. Шахтные исследования смещений горных пород и деформаций элементов крепи в зонах совместного влияния геологических нарушений и повышенного горного давления... 94
3.4. Установление закономерностей интенсификации смещений горных пород и деформаций крепи подготовительных выработок в зонах одиночного и совместного влияния геологических нарушений и повышенного горного давления... 97
3.5. Выводы 98
4. Геомеханическое обоснование типов крепей подготовительных выработок в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления 100
4.1. Разработка алгоритма расчета геомеханических параметров подготовительных выработок с учетом структурной неоднородности и анизотропии горных пород 100
4.2. Разработка алгоритма экспериментально-численного метода пошаговой настройки по результатам шахтных исследований исходных данных численной модели геомеханических процессов 107
4.3. Установление закономерностей геомеханических процессов в окрестности подготовительных выработок в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления ... 118
4.4. Геомеханическое обоснование области применения различных типов крепей по критерию соответствия их рабочей податливости диапазонам вертикальных и горизонтальных смещений контура выработки в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления
4.5. Адаптация способов крепления подготовительных выработок с учетом установленных закономерностей геомеханических процессов в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления 127
4.6. Выводы 129
Заключение 132
Литература 136
- Анализ результатов научно-исследовательских работ по повышению устойчивости подготовительных выработок в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления
- Разработка алгоритма определения интегрального геолого-технологического параметра трещиноватости горных пород в окрестности подготовительных выработок
- Шахтные исследования смещений горных пород и деформаций элементов крепи в зонах повышенного горного давления
- Установление закономерностей геомеханических процессов в окрестности подготовительных выработок в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления
Анализ результатов научно-исследовательских работ по повышению устойчивости подготовительных выработок в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления
На основе проведенного анализа технической литературы и нормативных документов установлено, что на угольных шахтах основными факторами, характеризующими устойчивость подготовительных выработок, являются: максимально допустимые смещения угля и пород кровли и боков выработки во время ее проведения и эксплуатации; предельные деформации элементов крепи выработки; . безопасное эксплуатационное состояние горных выработок, отсутствие критических величин расслоений и отжима угля и пород с боков и кровли, а также сохранение первоначальных форм выработки; интенсивность и ориентирование систем трещин в вмещающих породах вокруг подготовительной выработки и т.д. По мнению многих авторов влияние перечисленных факторов различно и неоднозначно. Производственный опыт эксплуатации горных выработок на шахтах юга Кузбасса показывает, что при расчете параметров сталеполимерного анкерного крепления по действующим нормативным документам /36, 63, 64, 194, 128, 154, 158 и др./ большинство выработок находится в удовлетворительном состоянии на протяжении всего периода эксплуатации. Однако в отдельных случаях горные выработки не сохраняют устойчивость, что ведет к необходимости дополнительных работ по усилению крепи и проведению незапланированных ремонтных работ /57, 81, 150 и др./ и свидетельствует о недостаточной адаптивности алгоритмов, заложенных в основу этих нормативных документов.
На сегодняшний день основными нормативными документами для расчета параметров анкерной крепи на угольных шахтах России и Кузбасса являются: «Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России» /194/, «Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР» /158/, «Типовые материалы для проектирования крепления горных выработок анкерной крепью» /154/.
Существующие нормативные документы не в полной мере учитывают особенности конкретных горно-геологических условий отдельных выработок, что приводит к обрушению вмещающих пород и аварийным деформациям крепи /73, 110, 119, 132 и др./.
Другим негативным фактором, не позволяющим однозначно прогнозировать параметры крепи, является противоречие нормативных документов между собой. В этой связи для оценки соответствия алгоритмов, заложенных в указанных методиках, для конкретных горно-геологических условий проведены сравнительные расчеты основных параметров сталеполимерного анкерного крепления.
Основной причиной неудовлетворительной сходимости результатов расчетов параметров крепи по представленным методикам является значительное отклонение принятых в расчете и фактических горногеологических данных. Одной из важных характеристик горных пород, существенно влияющих на результаты расчетов параметров крепи, является прочность горных пород на одноосное сжатие Re, фактическая величина которой существенно зависит от неоднородности и трещиноватости горных пород. При изучении деформированного состояния горного массива, изменяющегося под влиянием горных работ, ставится цель управления деформациями и напряжениями горных пород для обеспечения безопасности и высокой производительности горных работ. Метод экспериментально статистической корректности, разработанный ВНИМИ, позволяет прогнозировать изменение деформированного состояния горных пород вокруг горных выработок в различных геологических и технологических условиях. Для анализа методов расчета основных параметров анкерного крепления по приведенным методикам расчета выбрана одиночная подготовительная выработка шириной b = 4,0 м на глубине Н = 400 м, проектируемая в породах прочностью на одноосное сжатие Re = 40 МПа.
В соответствии с «Инструкцией по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России» /194/ параметры анкерной крепи рассчитываются с учетом коэффициента дополнительной нарушенности массива пород поверхностями ослабления без сцепления либо с малой связностью и характеризуются наличием зеркал скольжения, систем трещиноватости, наличием глинистых прослоев и т.д. Длина анкеров зависит от предполагаемого свода естественного обрушения. Расчетное сопротивление пород массива на одноосное сжатие Re определяется с учетом нарушенности, трещиноватости и неоднородности вмещающих пород. Параметры анкерного крепления при изменении прочностных свойств вмещающих пород приведены в табл. 1.2.
В соответствии с требованиями /194/ в зависимости от условий проведения выработки расчетное сопротивление пород кровли на одноосное сжатие меняется при наличии зон пликативных нарушений, зоны влияния дизъюнктивных нарушений и т.д. Выбор параметров сталеполимерной анкерной крепи для одиночной выработки производится по расчетным смещениям пород кровли U в зависимости от прочности пород на одноосное сжатие Re с учетом коэффициента структурной неоднородности Кс.
Согласно «Типовым материалам для проектирования крепления горных выработок анкерной крепью» /154/ расчет и выбор основных параметров анкерного крепления для кровли выработок производится с учетом созданной зоны активных расслоений В. Основные расчетные параметры сталеполимерного анкерного крепления для одиночной выработки приведены в табл. 1.3.
Разработка алгоритма определения интегрального геолого-технологического параметра трещиноватости горных пород в окрестности подготовительных выработок
Теория линейной наследственной ползучести /54/ позволяет описывать деформирование пород во времени с учетом истории нагружения. Деформации пород продолжаются после приложения или снятия внешних нагрузок, при этом деформации от приложенных нагрузок в разное время складываются (принцип суперпозиции). Метод переменных модулей /86/ позволяет решать задачи теории ползучести с использованием временных функций вместо упругих постоянных.
Вязко-пластические модели массива горных пород можно условно разделить на две группы: свойство вязкости является определяющим и породы рассматриваются как вязкие жидкости; свойство вязкости дополняет другие свойства (упругость, пластичность), и вязкий элемент выполняет функцию задержки во времени упругих и пластических деформаций.
Применение численных методов позволило развить геомеханическое обоснование технологических решений угольных шахт с применением ЭВМ. Разработанные алгоритмы численных методов позволяют получать конкретные результаты, подтверждающие эффективность их применения для оценки деформированного состояния, геомеханического обоснования параметров подготовительных выработок в зонах геологических нарушений, повышенного горного давления, природной и техногенной трещиноватости.
Для решения задач горной геомеханики широкое распространение получили методы конечных разностей, граничных (интегральных) уравнений, конечных элементов.
Метод конечных разностей основан на замене производных разностями и формировании системы уравнений, которая имеет ленточную симметричную трехдиагональную матрицу. Метод прост в реализации, легко адаптируется к различным типам обыкновенных дифференциальных, включая нелинейные, уравнений и уравнений в частных производных. Однако его использование ограничивается трудностью наложения регулярной сетки на область интегрирования; не решен вопрос адаптации этого метода к анизотропным массивам и к сложной форме исследуемой области в массиве горных пород.
Метод граничных элементов основан на дискретизации исследуемой области массива на ее границе в виде мозаики граничных элементов. Определение напряжений и деформаций для каждого граничного элемента осуществляется путем решения системы интегральных уравнений исходя из І условий (напряжений и перемещений), задаваемых на границе области. Существенным недостатком метода является то, что дискретизация области осуществляется только на ее границе, то есть исследуемая область должна быть изотропной, что не свойственно реальным шахтным условиям. Метод конечных элементов (МКЭ) является приближенным численным методом решения задач механики сплошных сред. В численных методах, основанных на решении системы дифференциальных уравнений равновесия и совместности деформаций, требуется удовлетворение условий равновесия и сплошности материала в каждой точке деформируемого тела. В МКЭ, в отличии от строгих методов, рассматриваемая бесконечная область заменяется конечной, которая разбивается на конечное число элементов, стыковка которых осуществляется в их вершинах. Условия равновесия и совместности деформаций соблюдаются в общих узлах элементов. Для определения неизвестных усилий в узлах и смещений узлов по заданным усилиям или перемещениям на границе области составляются уравнения равновесия и совместных деформаций, число которых соответствует числу узлов расчетной схемы. Такое разбиение позволяет получать информацию о форме, размерах, числе и направлении ориентирования конечных элементов, координатах и числе их узлов. МКЭ позволяет учитывать физико-механические характеристики слоев анизотропного углепородного массива, такие как: коэффициент Пуассона, модуль упругости, плотность и др. путем их введения в расчетные схемы дискретизации с учетом принадлежности конечного элемента к данному слою или пласту. Необходимость решения сложной системы уравнений, формирования и вычисления матриц жесткости и напряжений большой размерности, формирования баз данных возможно с применением ЭВМ класса Pentium второго класса и выше, имеющих большой объем оперативной памяти и высокую скорость счета, необходимую для оперативного выполнения расчетных процедур. Операционные системы позволяют создавать многоуровневые каталоги программных модулей с соблюдением последовательности выполнения расчетов. : Для статистической обработки результатов расчета геомеханических параметров наиболее эффективным средством является прикладной пакет программ SURFER для Windows, позволяющий выполнять различные математические операции и осуществлять их трансформацию.
В SURFER созданные файлы интерполируются для графического представления сетки дискретизации исследуемой области массива горных пород и построения визуальных карт и планов распределения напряжений, деформаций и смещений в массиве. При этом возможна корректировка сетки, плотности дискретизации путем выбора минимальных и максимальных границ по осям координат, изменения расстояния между линиями сетки и выбора необходимого количества линий в любом из направлений. Это позволяет адаптировать схемы дискретизации к условиям реального массива горных пород путем выбора оптимальных геометрических параметров элементов дискретизации, направления их ориентирования в соответствии с геометрическими параметрами слоев горных пород массива и элементов технологических схем и сокращать размерность расчетных схем для повышения скорости счета.
Таким образом, для анализа геомеханических процессов и прогноза параметров деформированного состояния в окрестности пластовых выработок наиболее эффективным является МКЭ, базирующийся на адаптации расчетных схем к условиям реального анизотропного углепородного массива с применением современных достижений компьютерной техники и программных средств.
Шахтные исследования смещений горных пород и деформаций элементов крепи в зонах повышенного горного давления
Визуальная оценка трещиноватости заключается в предварительном выделение систем трещин, имеющихся в пределах наблюдательного участка, с определением характера трещин и их генетического типа (принадлежности их к эндогенным, тектоническим, механической разгрузки) и расположения по отношению к напластованию. Измерение ориентировки трещин может проводиться методами беглых и массовых замеров трещин.
При изучении трещиноватости методом беглых замеров для обоснованного выделения систем и определения средних значений элементов залегания трещин необходимо минимум 15-20 замеров трещин каждой системы. Замеры производятся последовательно в пределах каждой из выявленных систем с попутной характеристикой основных свойств трещин изучаемой системы.
Метод массовых замеров предполагает измерение элементов залегания всех видимых в обнажении трещин без исключения. Применение метода массовых замеров позволяет получить более полные и достоверные данные для характеристики трещиноватости пород на изучаемой площади.
Плотность сети наблюдений за трещиноватостью зависит от сложности строения изучаемого участка и цели проведения исследований. При простом строении участка работ сеть наблюдений должна быть равномерной (пункты замеров трещиноватости рекомендуется располагать через 200 м). Для участков со сложным строением сеть наблюдений должна сгущаться.
При наличии магнитных масс (в выработках, закрепленных металлическими рамными крепями) для определения ориентировки трещин использовались угломерные приборы, в основе действия которых лежит принцип измерения углов между простиранием плоскости трещины, и направлением горной выработки. Угломер для определения залегания трещин в горных выработках, разработанный И.П.Жингелем, отличается сравнительно простой конструкцией. Определение элементов залегания трещины производилось следующим образом. Неподвижная линейка угломера приставлялась к плоскости трещин так, чтобы короткая сторона линейки совпадала с линией простирания, а конец линейки с индексом 0 был направлен в сторону падения трещины. Затем визирная линейка свободным концом направлялась вдоль выработки, азимут простирания которой был заранее известен. Несмотря на наличие достаточно объективных способов определения ориентировки трещин с помощью угломеров, при возможности следует проводить замеры горным компасом, так как во всех остальных случаях необходимы пересчеты, усложняющие обработку замеров трещиноватости и снижающие точность измерений.
При проведении специальных визуальных исследований трещиноватости вокруг пластовых выработок расстояние между наблюдательными участками выбиралось в зависимости от поставленной задачи. Размеры наблюдательных участков для визуальных исследований определялись в зависимости от интенсивности проявления трещиноватости в пределах каждой системы. Для достоверной оценки одной системы трещин проводилось не менее 20-ти замеров. Для системы с расстоянием между соседними трещинами 10 см выбиралось обнажение протяженностью 2 м и более; для набора 20-ти замеров трещин, расположенных через 1 м, длина исследуемого обнажения составляла более 20 м.
Интенсивность трещиноватости массива горных пород определялась как сумма частот трещин всех систем, зафиксированных в обнажении. Изучение проявления трещиноватости пород проводилось на отдельных обнаженных участках горных пород. Длина участка выбиралась так, чтобы получить представительное количество замеров для выделения систем трещин. Сеть наблюдений определялась сложностью геологического строения наблюдаемого выемочного участка в пределах шахтного поля, принятой системой разработки, конкретными задачами и т. д.
Результаты визуальных и инструментальных наблюдений за проявлением и развитием трещиноватости на контуре пластовых выработок анализировались и заносились в базу данных с учетом морфологических признаков (табл.2.5) и размеров трещин по протяженности на контуре выработки (табл.2.6).
Для выявления наиболее неблагоприятных условий взаимного расположения выработки и существующих в массиве плоскостей ослабления необходимо производить визуальное обследование состояния крепи, которое позволит выявить участки вероятных зон разрушения на контуре подготовительных выработок и определить характер деформаций крепи на наблюдательных участках выработок, имеющих различное направление относительно совокупности систем ослабления массива, провести анализ возможных причин нарушения крепи при проведении и поддержании выработок вне зоны очистных работ, при приближении и непосредственно в зоне влияния очистных работ.
Применяемые в настоящее время методики изучения трещиноватости пород с помощью определения азимутов и углов падения трещин, используемые для общей геологической оценки трещиноватости пород и их связи с тектоническими процессами, для рассматриваемых целей неудобны, так как не дают возможности непосредственного измерения указанных углов. Для обработки полученных результатов требуются трудоемкие пересчетные операции аналитическим или графическим методами. признаков (табл.2.5) и размеров трещин по протяженности на контуре выработки (табл.2.6).
Установление закономерностей геомеханических процессов в окрестности подготовительных выработок в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления
В третьей главе настоящей работы приведены результаты шахтных исследований устойчивости подготовительных выработок в аномальных зонах повышенного горного давления, геологических нарушений, природной и техногенной трещиноватости. Несмотря на большой диапазон горногеологических и горнотехнических условий, в которых были проведены шахтные исследования, не всегда представляется возможным выявить закономерности геомеханических процессов при изучении влияния отдельного фактора, так как при проведении шахтных исследований одновременно участвует (меняется) комплекс факторов. Поэтому исследования характера деформирования горных выработок были продолжены численными методами геомеханики путем варьирования параметров одного из факторов при постоянных базовых значениях прочих. При этом результаты шахтных исследований используются для настройки входных параметров программного комплекса.
Для прогноза геомеханических параметров вокруг подготовительной горной выработки в аномальных зонах был разработан алгоритм, позволяющий определять ожидаемые смещения пород кровли и почвы, конвергенцию боков выработки и другие параметры. На основе анализа известных алгоритмов и численных методов, проведенного в первом разделе настоящей работы, для решения поставленных задач выбран метод конечных элементов, позволяющий проводить моделирование геомеханических процессов в горном массиве. Для реализации алгоритма адаптирован пакет компьютерных программ на языке FORTRAN, разработанный на кафедре РПМ СибГИУ.
Начало правой декартовой системы координат выбирается в произвольной точке, например, в центре выработки. Из выбранного центра координат на ЭВМ автоматически формируются треугольные элементы с учетом выработки, контактов породных слоев и прослойков (рис.4.1). В отдельном треугольном элементе осуществляется нумерация узлов (вершин) треугольника против часовой стрелки. Нумерация узлов последовательная для каждого элемента в пределах слоя и идет по окружности.
В конкретном элементе произвольно выбирается первый узел, остальные элементы нумеруются последовательно против часовой стрелки.
Каждый узел элемента представлен системой двух векторов. Направление положительной компоненты смещения узла совпадает с положительным направлением соответствующей оси координат. Горизонтальное и вертикальное перемещение внутри элемента аппроксимируется интерполяционными полиномами.
Для определения неизвестных перемещений в узлах системы элементов минимизируется интегральная величина, связанная с работой внешней нагрузки. Так как задача решается в перемещениях (на границах задаются их значения), то минимизируется потенциальная энергия системы треугольных элементов. После определения перемещений вычисляются деформации.
Реализация алгоритма расчета в виде компьютерных программ позволяет создать алгоритм расчета, позволяющий производить сравнительный анализ влияния нескольких (основных) факторов на устойчивость горных выработок, определять полный вектор напряжений в горных породах вокруг горной выработки. В программе рассматривается двумерная задача деформированного состояния горных пород в зонах геологических нарушений, структурной неоднородности и анизотропии массива горных пород вокруг сечения горной выработки при удалении забоя на расстояние более десяти радиусов. На рис.4.2 приведена схема пакета компьютерных программ и последовательность выполнения расчетных процедур. Ввод исходных данных к расчету осуществляется из нескольких файлов: а) Файл "krugmkel.dat" содержит совокупность различных горногеологических и горнотехнических данных об исследуемой области углепородного массива в виде нескольких блоков. В первом блоке по геологической структурной колонке принимаются характеристики пласта угля. Для достоверности полученных результатов расчета в кровле и почве выработки на расстоянии пяти мощностей пласта Каждому слою пород задается порядковый номер, каждый слой имеет заданную мощность и коэффициент крепости по шкале профессора Протодьяконова. В файл вводятся размеры выработки, параметры элементов крепи и пространственное расположение подготовительной выработки, глубина ведения горных работ, границы исследуемой области в массиве в соответствии с геометрическими параметрами подготовительной выработки. Второй блок данных представлен координатами кровли слоев горных пород исследуемой области массива с учетом принятой мощности слоев угольного пласта и породных прослойков в нем. Третий блок данных представляет сведения о физико-механических свойствах угля и вмещающих пород почвы исследуемого пласта. Вводятся числовые значения модуля упругости и коэффициента крепости горных пород и угля. б) Файл "trehina" содержит параметры систем трещин в массиве горных пород вокруг подготовительной выработки. Задается число систем трещин, коэффициент крепости материала, заполняющего трещины, азимут простирания и угол падения каждой системы трещин. Пакет программ расчета параметров горного давления вокруг-подготовительной выработки в зонах геологической и техногенной трещиноватости горных пород с учетом интенсивности и ориентировки систем трещин состоит из четырнадцати программ: МКЕ0100, МКЕ0200, МКЕОЗОО, МКЕ0400, МКЕ0500, МКЕ0700, МКЕ0720, МКЕ0730, МКЕ0800, МКЕ0801, МКЕ0805, МКЕ0807, МКЕ0808, SURFER.
