Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса, цели и задачи исследований 8
1.1 Обзор комбинированных технологий отработки месторождений полезных ископаемых 8
1.1.1 Общие положения по комбинированным технологиям отработки месторождений полезных ископаемых 8
1.1.2 Краткие сведения о разработке угольных месторождений в угольном бассейне Куангнинь 10
1.2 Анализ работ по обеспечению устойчивости и креплению горизонтальных выработок 11
1.2.1 Критерии устойчивости незакрепленных выработок 11
1.2.2 Анализ методов оценки напряженно-деформированного состояния массива вокруг горизонтальных выработок 13
1.2.3 Классификация геомеханических моделей породных массивов 16
1.2.4 Анализ существующих методов определения нагрузки на крепь горизонтальных выработок 17
1.3 Анализ типов крепей горных выработок и область применеия. 19
1.3.1 Общие положения 19
1.3.2 Анализ состояния проведения и эксплуатации горных выработок угольного бассейна Куангнинь. 20
1.4 Горно-геологические условия месторождения нуйбео 25
1.5 Основные выводы, цели и задачи исследований 33
Глава 2 Натурные исследования величины смещений контура выработок угольных месторождений куангнинь (по данным проектного института оао винакомин) 35
2.1 Общие положения 35
2.2 Методика исследований 35
2.3 Результаты инструментальных измерений 37
2.4 Категория устойчивости горных пород 48
2.5 Выводы по главе 53
Глава 3 Прогноз напряженно-деформированного состояния массива горных пород вокруг горных выработок
на основе метода конечных элементов 54
3.1 Методика исследований 54
3.2 Оценка зоны влияния карьера на распределений напряжений массива с помощью пространственной геомеханической модели 56
3.3 Моделирование напряженно-деформированного состояния подкарьера массива при отработке подкарьерных запасов 68
3.3.1 Постановка задачи для моделирования 68
3.3.2 Анализ напряженно-деформированного состояния подкарьерного массива, вмещающего горные выработки 70
3.4 Прогноз предельного состояния пород вокруг выработок 74
3.5 Выводы по главе 86
Глава 4 Обоснование параметров крепи капитальных выработок в горно-геолоических условиях месторождения нуйбео 87
4.1 Анализ взаимодействия крепи с массивом горных пород 87
4.2 Оценка устойчивости горных выработок на основе показателя напряженности
4.3 Обоснование параметров крепи выработок, находящихся в устойчивом массиве 91
4.4 Обоснование параметров крепи выработок, находящихся в среднеустойчивой породе 92
4.4.1 Общие положения 92
4.3.2 Методика определения нагрузок на крепь в зоне пластических деформаций без дилатансии 93
4.5 Обоснование параметров крепи выработок, находящихся в слабых нарушенных породах 102
4.5.1 Общие положения 102
4.5.2 Методика расчета перемещения пород вокруг выработки с учетом разрыхления горных пород 103
4.6 Рекомендации по выбору типа крепи горных выработок в условиях шахты нуйбое 111
Заключение 116
Список литературы 118
- Краткие сведения о разработке угольных месторождений в угольном бассейне Куангнинь
- Результаты инструментальных измерений
- Оценка зоны влияния карьера на распределений напряжений массива с помощью пространственной геомеханической модели
- Обоснование параметров крепи выработок, находящихся в среднеустойчивой породе
Введение к работе
Актуальность темы исследований. На шахтах угольного бассейна Куангнинь (Вьетнам) планируется отработка подкарьерных запасов. Разработка угольных пластов под карьером требует обоснования рациональных параметров крепи капитальных выработок, обеспечивающих их эксплуатационное состояние, безопасную и эффективную отработку пластов.
Актуальность данной задачи объясняется сложным характером взаимного влияния карьера и также наличием в массиве геологических разломов, отсутствием опыта разработки подобных месторождений.
В шахтах угольного бассейна Куангнинь отмечены разрушения крепи капитальных выработок. Одной из основных причин неудовлетворительного состояния выработок является отсутствие методики обоснования параметров крепи, учитывающей специфику отработки подкарьерных запасов угля. На ремонт и перекрепление выработок затрачиваются большие средства еще на стадии строительства горизонтов. Как правило, выбор крепи капитальных выработок осуществляется на основании производственного опыта, без анализа условий их применения и расчета параметров. Поэтому поиск закономерностей формирования нагрузки на крепь выработок с целью обоснования их параметров, обеспечивающих устойчивое состояние выработок с минимальными эксплуатационными затратами, является актуальной задачей.
Для решения данной задачи необходима комплексная оценка особенностей физико-механических и структурных свойств вмещающих пород, напряженно-деформированного состояния подкарьер-ного массива, предельного состояния пород вокруг выработок и разработка методики расчета смещения пород вокруг выработок с учетом разрыхления горных пород.
Исследованием геомеханических процессов при комбинированной разработке месторождений занимались такие ученые, как К.Н. Трубецкой, Д.Р. Каплунов, А.А. Козырев, В.Н. Калмыков и другие.
Обеспечению устойчивости выработок посвящены работы И.В. Баклашова, Н.С. Булычева, А.А. Еременко, Б.А. Картозии, О.В. Ковалева, М.В. Корнилкова, Г.Г. Мирзаева, А.Н. Панкратенко, А.Г. Протосени, К.В. Руппенейта, В.Л. Трушко, М.Н. Шуплика, Ю.З. Заславского и др.
Цель диссертационной работы: обеспечение устойчивости капитальных горных выработок обоснованием параметров крепи при отработке подкарьерных запасов угольных пластов в условиях шахты Нуйбео.
Идея работы: выбор рациональных типов и параметров крепи капитальных выработок угольных шахт при комбинированной разработке месторождения должен производиться на основе прогноза их устойчивости, базирующегося на результатах натурных наблюдений, экспериментально-аналитических и численных методах моделирования.
Основные задачи исследований:
– анализ горно-геологических условий угольного бассейна Ку-ангнинь на примере месторождения Нуйбео;
– оценка влияния открытой разработки на подкарьерный массив при комбинированной разработке угольного месторождения;
– прогноз напряженно-деформированного состояния горного массива при отработке подкарьерных запасов угля шахты Нуйбео;
– разработка методики расчета смещения вмещающих выработку пород с учетом их разрыхления;
– обоснование рациональных типов и параметров крепи капитальных выработок шахты Нуйбео.
Методы исследований. В работе использовалась комплексная методика исследования, включающая анализ литературных источников, опыта комбинированной открыто-подземной разработки угольных месторождений; геологических материалов месторождения Нуйбео; натурных исследований смещения пород вокруг капитальных выработок шахт угольного бассейна Куангнинь; численное моделирование геомеханических процессов в вмещающем выработку горном массиве.
Научная новизна работы:
Установлены закономерности формирования напряженно-деформационного состояния пород вокруг капитальных выработок в подкарьерном массиве, вызванные открытой разработкой угольного пласта;
Выявлены закономерности изменения смещения пород в окрестности выработки с учетом предельного состояния и разрыхления вмещающего горного массива.
Защищаемые научные положения:
-
Прогноз напряженно-деформированного состояния пород вокруг выработок при подземной разработке подкарьерных запасов угля должен учитывать наличие карьера, зона влияния которого по вертикальному направлению составляет 320 м, в плане 120 м, что уменьшает напряжения в подкарьерном горном массиве.
-
При прогнозе напряженно-деформированного состояния пород вокруг капитальных выработок необходимо учитывать наличие области предельного состояния, параметры которой зависят от физико-механических характеристик пород, глубины заложения и месторасположения выработок относительно карьера.
-
Тип и параметры крепи капитальных выработок принимаются на основе прогноза напряженно-деформированного состояния пород и смещения контура выработки, величины которых определяются категорией устойчивости породы и ее разрыхлением (дилатансией).
Практическая значимость работы:
– разработана методика расчета параметров напряженно-деформированного состояния массива вокруг капитальных выработок при отработке подкарьерных запасов угля;
– обоснованы рациональные типы и параметры крепи капитальных выработок в зависимости от категории устойчивости горных пород.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается использованием современных методов горной геомеханики; численного метода конечных элементов, реализованного на сертифицированном программном комплексе
Abaqus; результатами натурных наблюдений за величинами смещения контура выработок на шахтах угольного бассейна Куангнинь; согласованностью результатов аналитических и натурных исследований за смещениями горных пород вокруг горных выработок.
Научная и практическая ценность. Результаты исследования могут быть использованы для обоснования параметров крепи капитальных выработок, при отработке подкарьерных запасов угля месторождения Нуйбео, а также при разработке пластов с аналогичными условиями на шахтах угольного бассейна Куангнинь.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований; в разработке конечно-элементных моделей; в проведении численных экспериментов и анализе полученных результатов; в анализе натурных исследований деформирования пород вокруг выработок; в обосновании типов и параметров крепи горных выработок; в разработке рекомендаций по обеспечению устойчивости капитальных выработок в условиях угольного бассейна Куангнинь.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на заседаниях кафедры строительства горных предприятий и подземных сооружений, на заседаниях научно-технического совета по работе с аспирантами Национального минерального - сырьевого университета “Горный”.
Публикации. По теме диссертации опубликовано
3 печатных работы, из них 2 работы в изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 79 наименований, 89 рисунков и 17 таблиц.
Краткие сведения о разработке угольных месторождений в угольном бассейне Куангнинь
Управление состоянием массив, поддержание горных выработок в устойчивом состоянии и безопасная их эксплуатация требует более широкого изучения напряженно-деформированное состояние массива при проведению горных работ. При прогнозировании параметров зоны неупругих деформаций необходимо учесть как можно больше горно-геологических факторов, влиящих на оценку напряженно-деформированного состояния массива.
Массив горных пород в естественном состоянии находится под действием гравитационных сил, которые возрастают при увеличении глубины элемента массива. Кроме этих сил, в массиве в разной степени действуют силы, связанные с тектоническими процесса, протекающими в земной коре. В зонах с активным характером эти силы достаточно велики в сравнений с гравитационными силами. Наоборот, в спокойных участках тектонические силы можно пренебречь.
При проведении горных выработок с точки зрения механики нарушается первоначальное естественное состояние массива горных пород. Действующие силы в массиве горных пород получили название горного давления. Одной из самых распространенных видов проявления горного давления является разрушение массива горных пород вблизи контура выработки. В результате чего происходит обрушение значительного объема измельченных горных пород в выработанное пространство [47].
Для сохранения устойчивости выработок и безопасности ведения горных работ необходимо более корректно определить горное давление или действующую нагрузку со стороны кровли выработок. Определение горного давления вокруг пройденной горной выработки является основной проблемой исследователей в механике подземных сооружений, так как за счет определения нагрузки выбира 14 ется рациональный вид, и параметры горной крепи, которая в свою очередь обеспечивает безопасность ведения горных работ.
По мнению М.М. Протодьяконова и М.П. Цимбаревича в кровле горной выработки образуется свод естественного равновесия, очертание которого близко к форме параболы. Данная гипотеза применима для слабых горных пород. Рассматривается, что породы в своде естественного равновесия находятся в разрушенном состоянии, т.е. размещаются в пределах зон неупругих деформации. В этой области горные породы теряют прочность и по своим свойствам приближаются к сыпучей среде, и тем самым, на крепь горной выработки действует давление от веса горных пород, заключенных в пределах свода естественного равновесия (рисунок 1.1). где = + 2%(45 0- ), м h- высота выработки (м); В- пролет выработки (м); р- угол внутреннего трения сыпучей породы (градуса); /- коэффициент крепости по М.М Протодьяконову. В настоящее время более современным подходом к решению задач геомеханики можно считать определение напряжений вокруг выработки и сравнение данных напряжений с прочностными характеристиками вмещающих пород.
Аналитические методы расчета параметров напряженно- деформированного состояния и устойчивости горных пород вблизи выработок дают хорошие результаты только лишь при круглой и эллиптической форм сечения. На практике используют другие более сложные формы выработок. При сложных формах сечения выработки (арочная, трапециевидная) аналитические методы требуют более сложных расчетов, которые решаются путем численных методов моделирования с применением прикладных компьютерных программ [1]. На основании сведения о напряженно-деформированном состоянии и размеров зон неупругих деформаций формируются основные задачи геомеханики.
В зависимости от характера деформирования массива, отраженного в виде связей между напряжениями и деформациями, геомеханические модели сплошного массива можно разделить на пять классов [47]: упругие, жескопластические, упругопластичекие, вязкоупругие и вязкопластические.
Упругие модели массива - это линейная связь между напряжениями и деформациями, выраженная законом Гука Жесткопластические модели массива- на основе теории прочности Кулона -Мора Tс=K + atgp, (1.3) где К- сцепление, 7- максимально главное напряжение, р- угол внутреннего трения. Жесткопластическая модель предполагает, что основная нагрузка на крепь действует за счет неупругих деформаций пород. Жесткопластическая модель наиболее применимы для сыпучих и сильнотрещиноватых горных пород.
Упругопластические модели применяются, когда в массиве горных пород с ростом напряжений имеют место вначале упругие деформации, а по достижению условия (1.3) имеет место предельное состояние пород.
Огибающая наибольших кругов обуславливает предельное состояние горных пород. Для описания огибающей были предложены различные нелинейные зависимости, которые называются условием пластичности или условием предельного состояния. Горные породы переходят в предельное состояние, когда наибольшее касательное напряжения достигает огибающей кругов напряжения. 1.2.4 Анализ существующих методов определения нагрузки на крепь горизонтальных выработок
В настоящее время существуют множество методов определения нагрузки на крепь горных выработок. При расчете горного давления (нагрузки на крепь) учитывают три возможных режима взаимодействия крепи и породного массива: 1- Режим заданной нагрузки Для данного режима, в зависимости от конкретных условий выработки нагрузка может формироваться от веса пород в объеме локальных вывалов, свода обрушения или веса всей толщи пород на сооружение. Нагрузка на крепь определяется по формуле P = yhH, (1.4) где hH- высота зоны нарушения пород; у- плотность нарушенной породы. 2- Режим совместного деформирования массива и крепи
Результаты инструментальных измерений
Для получения качественной оценки по характеру проявлений горного давления на крепи необходимо определить закономерности сдвижения массива пород в окрестности выработок. Определение конечных смещений позволяет определить рациональный тип крепи, т.е ее несущую способность, величинy податливости и время ее установки. Измерение смещения контура выработки осуществляется в выработках на опытном участке, на котором имеют аналогичные горногеологические условия с исследуемым объектом. Из анализа результатов исследований можно определить закономерности конечных смещений контура выработки в зависимости от физико-механических свойств горных пород, окружающих выработку. Полученные закономерности повысят точности определения устойчивости горных пород в условиях недостатка данных о свойствах массива, как и на новых месторождениях.
Исследование смещения контура горных выработок шахт угольного бассейна Куангнинь выполнено проектным институтом ОАО Винакомин [54].
Для измерения смещений массива горных пород, окружающих выработок, принят метод установки глубинных реперов. Реперы установлены в скважинах, пробуренные в кровлю на глубину 3,5 м, диаметром 32 мм. Замерные станции установлены на контрольном и экспериментальном участках. Относительные смещения по вертикальному направлению измерились с помощью линеек, установленных на устье скважины. В каждой скважине устанавливалось 2 репера анкерного типа на различной глубине. Линейки А и В присоединяются с репером через проволоку. Все замеренные станции устанавливались на расстоянии 1,5 м до забоя. Конструкция репера приведена на рисунке 2.1, на рисунке 2.2 приведен пример установления реперов на практике.
Для изучения закономерности смещения горных выработок вблизи выработок на трех шахтах угольного бассейна Куангнинь: Дыонгкуй, Донгбак, Хэчам были установлены 9 измерительных станций с глубинными реперами анкерного типа. Четыре станции оборудованы на шахте «Дыонгкуй» на глубине 270 м. На шахте «Донгбак» оборудованы две станции на глубине 250 м и на шахте «Хэчам» установлены три станции на глубине 280 м. Характеристики установленных замерных станций и горно-геологические условие их заложения приведены в таблице 2.1. По данным исследования, измерительные станции заложены на глубинах от 250 до 300 м, в породах со следующими характеристиками: у = 0,0235-0,025МН/м3 - удельный вес горных пород, Е = 1200-6700 МПа - модуль упругости, R = 22-47 МПа - предел прочности породы на сжатие, Rp=6- 12МПа - предел прочности породы на растяжение, р = 20-40 град - угол внутреннего трения, К= 0,4- 1,06 МПа- сцепление. Выработки, в которых реперы установились, имеют площади в свету Sсв = 7,6 - 12,8 м2. Одном из известных походом к решению задачи по оценке устойчивости незакрепленных выработок является критерия устойчивости по Заславскому Ю. З. К = — . Это поход основан на проностных и деформационных крите-сж риях, позволяющих качественно и количественно оценить уровень развития деформационных процессов. Из исследуемых данных можно определить эмпирические зависимости смещения от других факторов. Таблица 2.1 - Характеристики установленных замерных станций и горногеологические условие их заложения
Шахта, выработка Горно-геологическая характеристика условий заложения замерных станций на угольном бассейне Ку-ангнинь Здесь SCB - площадь выработки в свету, м2; р - угол внутреннего трения, град; К - сцепления, МПа; U - конечное смещение горных пород вблизи выработки по результатам измерения, мм.
Замерная станция №1: Установлена на шахте «Дыонгкуй» в полевом от 39 каточном штреке горизонт +38 I, глубина заложения выработки равна 270 м. Вмещающая порода представлена аргиллитами с пределом прочности на одноосное сжатие Ксж =26МПа. Площадь поперечного сечения выработки в свету рана 12,8 м2. Результат измерения представлен в таблице 2.2 и на рисунке 2.3. Таблица 2.2 - Вертикальное смещение U (мм) замерной станции № Реперы Время наблюдения t, суток 30 45 60 75 90 105 120 150
Из графика следует, что вертикальное смещение массива горных пород, окружающего выработки возрастает по времени. Интенсивное смещение наблюдалось в течение 45 дней и смещения стабилизировало через 90 дней с момента установки крепей. За 45 дней смещение составляет 85% от общего смещения. За 150 суток конечное смещение составило в вертикальной скважине соответственно 230 мм. Замерная станция №2: Установлена на шахте «Дыонгкуй» в откаточном квершлаге горизонт +38 II, глубина заложения выработки равна 250 м. Вмещающая порода представлена алевролитами с пределом прочности на одноосное сжатие Ясж=40МПа. Площадь поперечного сечения выработки в свету рана 10,4 м2. Результат измерения представлен в таблице 2.3 и на рисунке 2.4. Таблица 2.3 - Вертикальное смещение U (мм) замерной станции № Реперы Время наблюдения t, суток 40 60 80 100 130 Репер N1-N3 45 63 65 67 67 68 Репер N1-N2 33 45 47 49 50 Рисунок 2.4 - Зависимость вертикального смещения от времени (замерная станция № 2) Из графика следует, что вертикальное смещение массива горных пород, окружающего выработки возрастает по времени. Интенсивное смещение наблюдалось в течение 40 дней и смещения стабилизировало через 80 дней с момента установки крепей. За 40 дней смещение составляет 90% от общего смещения. За 130 суток конечное смещение составило в вертикальной скважине соответственно 68 мм.
Замерная станция №3: Установлена на шахте «Дыонгкуй» в откаточном квершлаге горизонт +38 III, глубина заложения выработки равна 290 м. Вмещающая порода представлена аргиллитами с пределом прочности на одноосное сжатие Ясж=20МПа. Площадь поперечного сечения выработки в свету рана 10,4 м2. Результат измерения представлен в таблице 2.4 и на рисунке 2.5. Таблица 2.4 - Вертикальное смещение U (мм) замерной станции № Реперы Время наблюдения t, суток 32 45 60 80 100 120 150
Из графика следует, что вертикальное смещение массива горных пород, окружающего выработки, возрастает по времени. Интенсивное смещение наблюдалось в течение 60 дней и смещения стабилизировало через 100 дней с момента установки крепей. За 60 дней смещение составляет 80% от общего смещения. За 150 суток конечное смещение составило в вертикальной скважине соответственно 332 мм.
Замерная станция №4: Установлена на шахте «Дыонгкуй» на полевом магистральном квершлаге горизонт +38 I (П12-П13), глубина заложения выработки равна 300 м. Вмещающая порода представлена песчаниками с пределом прочности на одноосное сжатие Ясж =47МПа. Площадь поперечного сечения выработки в свету рана 12,8 м2. Результат измерения представлен в таблице 2.5 и на рисунке 2.6.
Вертикальное смещение U (мм) замерной станции № Реперы Время наблюдения t, суток 30 50 70 120 180 220 260 Репер N1-N3 50 59 64 67 72 75 77 78 Репер N1-N2 22 34 35 36 37 38 39 Рисунок 2.6 - Зависимость вертикального смещения от времени (замерная станция № 4)
Из графика следует, что вертикальное смещение массива горных пород, окружающего выработки возрастает по времени. Интенсивное смещение наблюдалось в течение 40 дней и смещения стабилизировало через 120 дней с момента установки крепей. За 40 дней смещение составляет 90% от общего смещения. За 260 суток конечное смещение составило в вертикальной скважине соответственно 78мм.
Оценка зоны влияния карьера на распределений напряжений массива с помощью пространственной геомеханической модели
Достаточное представление о механических процессах, происходящих в породном массиве, вызванных строительством горных выработок можно получить на основе использования численных методов анализа, таких как, метод конечных элементов (МКЭ), метод дискретных элементов (МДЭ) и метод конечных разностей (МКР). Применение численных метод анализа, для прогноза напряженно-деформированного состояния породного массива вокруг выработок и параметров крепи, позволяет обойти ограничения связанные с применением строгих аналитических решений.
В настоящее время самым распространенным методом среди численных методов решения задач, описываемых дифференциальными управлениями в частных производных, является метод конечных элементов. Его суть заключается в том, что из бесконечного массива выделяется некоторая интересующая нас область, например, в окрестности подлежащей изучению выработки. Действие отброшенной части массива заменяем усилениями, приложенными на границе области.
Вся исследуемая область делится на подобласти, достаточно малые, чтобы считать внутри их среду однородной и изотропной. Поэтому свойства среды в каждой из подобластей описываются постоянными (для данной подобласти) характеристиками: Е - модуль упругости, - коэффициент Пуассона, - уголь внутреннего трения, K – Сцепление. Эти подобласти называются конечными элементами. Они взаимодействуют друг с другом в узлах через узловые силы – F и узловые перемещения - . В таком виде исследуемая область подобна некоторой стержневой системе. Сообщая одному узлу усилие или перемещение, получим отклик во всей системе, в каждом из её узлов.
Последовательность проведения расчета по методу конечных элемен-тов(МКЭ) следующая: - разбивка исследуемого объекта на конечные элементы и назначение узлов, в которых определяются перемещения; - определение зависимостей между усилиями и перемещениями в узлах элемента, т.е. построение матриц; - составление системы алгебраических уравнений равновесия; - решение системы уравнений и вычисление перемещения узловых точек; - определение компонентов напряженно-деформированного состояния тела. По всей сущности МКЭ – это вариационный метод, и как всякий вариационный метод, он является более точным, чем другие методы. К числу его достоинств необходимо отнести также легкость расчета напряженного состояния тел из нескольких материалов (пород) с разными физическими свойствами, возможность сгущения сетки в местах ожидаемой концентрации напряжений. Он позволяет достаточно точно описать криволинейные границы области определения решения. Математический аппарат этого метода представлен в матричной форме, что значительно облегчает его программирование. Решение задачи методом конечных элементов начинается с дискретизации исследуемой области. Она заключается в представлении области набором конечных элементов, связанных в узлах. В местах предполагаемого большого градиента искомых величин сетка узлов сгущается. Разбитая на элементы область полностью описывается двумя информационными массивами: глобальными координатами узлов xi,yi и матрицей индексов элементов. Матрица индексов определяет очертание элементов, а также позволяет установить связь элементов между собой. После того, как полностью описана геометрия рассчитываемого объекта, необходимо задать граничные условия, т.е. посредством приложения к модели нагрузок и закреплением отдельных ее частей заменить воздействия окружающего массива, из которого выделена исследуемая модель.
По проекту разработки шахты Нуйбео подземным способом, выполненного в компании ОАО Винакомин, были определены подкарьерные запасы, целесообразные для отработки подземным способом, на отметках -90 --400 м. При разработке подкарьерных запасов необходимо оценить напряженно-деформированное состояние подкарьерного массива, вмещающие капитальные горные выработки.
План поверхности карьера шахты Нуйбео представлен на рисунке 3.1. Расчетная схема для оценки влияния карьера на напряженно деформационное состояние подкарьерного массива приведена на рисунке.3.2 Решение задачи выполнено в пространственной постановке с использованием метода конечных элементов.
На первом этапе с использованием геологических данных по условиям залегающих пород и плана работы шахты Нуйбео сформирована пространственная модель. Общий вид трехмерной модели карьера и массива представлен на рисунке 3.2, в дальнейшем используем для создания конечно-элементной модели. Штрих-пунктирной линией указано направление залегания слоев пород. Рисунок 3.3 Пространственная модель массива шахты Нуйбео с разделением на слоях пород На втором шаге пространственная модель массива разбивается сеткой на конечные элементы. На рисунке 3.4 представлен вид конечно-элементной модели.
Пространственная конечно-элементная модель карьера шахты Нуйбео Размеры модели составляет 3000х3000х500 м. В качестве типа конечных элементов приняты десятиузловые тетраэдры. Начальное напряженное состояние массива задавалось с учетом гравитационных напряжений. Массив горных пород задавался как линейно-деформируемый, поэтому принята упругая модель. Прочные и деформационные характеристики пересекаемых породы, принятые в модели, представлены в таблице 3.1
Обоснование параметров крепи выработок, находящихся в среднеустойчивой породе
Из данных таблицы 2.15 следует, что основные устойчивые породы (гравелит) в условиях шахты Нуйбео находятся в I категории по устойчивости. По результатам моделирования в главе III для устойчивой породы, вокруг выработок не возникают зоны предельного состояния. Это свидетельствует о том, что напряжения в горных выработках в области влияния выработки не превышают предела прочности. В этих случаях при изменении напряжений, вызванных проведением выработки, горные породы подвергаются только упругим деформациям. Общая величина смещений контура поперечного сечения выработки за счет упругих деформаций пород невелика. В этих условиях может быть использована крепь легкого типа в виде анкера или комбинированной крепи: анкерная с сеткой или набрызгбетонная крепь с анкерами, предотвращающая вывалы отдельных блоков горных пород, ограниченных трещинами. В качестве типа анкеров, рекомендуем применить сталеполимерные анкеры. Методика расчета параметров и технология проведения комбинированной крепи изложены в работах [12,18,57 ]. Параметры крепи для данного случая представлены в таблице 4.1.
В таблице 4.4 l – длина стержни анкерной крепи, м; d – диаметр стержни анкерной крепи, м; nк,nб – плотность установки анкерной крепи в кровли и боках, шт/м2 ; A-II- класса арматуры периодического профиля стержни анкерной крепи; t- толщина набрызгбетонного покрытия.
При глубине заложения выработки меньшее 250 м: По таблице 2.15 средне-устойчивые породы в условиях шахты Нуйбео находятся в I категории по устойчивости и по результату моделирования вокруг выработок не возникают зоны предельного состояния, следует принимает тип крепи и ее методику расчета как и в устойчивой породе. При глубины заложения выработки большее 250 м: По таблице 2.15 средне-устойчивые породы в условиях шахты Нуйбео находятся в II и III категории по устойчивости и по результату моделирования вокруг выработок возникает зона предельного состояния, возрастающая с глубиной. Для определения рационального типа крепи на данном участке, должны определить конечные смещения (развиваются во времени) породного контура сечения выработки при заданном сопротивлении крепи. При установлении зависимости между сопротивлением (отпором) крепи и смещением породного контура, можно определить наиболее целесообразную несущую способность крепи, ее конструктивную податливость, время ее установки и податливость забутовки. В качестве крепи предполагается податливые крепи типа КМП из СВП профиля.
При проходке выработки вокруг нее происходит перераспределение напряжений. Если компоненты нового напряжений таковы, что выполняется условие пластичности (3.1) то вблизи выработки образуется зона пластических деформаций или разрушения.
Руппенейт К.В [10, 11] установлена формула, которая связана давление на крепь выработок с величиной смещений контура выработки из условия несжимаемости материала в зоне пластических деформаций:
Уравнение (4.10) показывает известный факт уменьшения нагрузки на податливую крепь в упругопластическом массиве. Уравнения (4.9),(4.10) и (4.11) характеризуют совокупность равновесных состояний упругопластической среды, ослабленной выработкой, которые обеспечиваются отпором p, однозначно зависящим от смещения u. На рисунке 1.3 показывает зависимость отпора p от смещения u. По графику представления взаимодействия крепи с массивом пород замечаем, с увеличением смещений необходимый для обеспечения равновесия отпор крепи уменьшается, что связано с увеличением размера зоны пластических деформаций.
Нагрузка на крепь определена по формуле, которая предложена Ф.А. Бела-енко [11] uR(p) = u0+uk(p), (4.12) где и0 - начальные смещения контура выработки до возведения крепи; щ(р)- зависимость, характеризующая жесткость. График 1.3 является схемой графического решения уравнения (4.12). В масштабе координат p u проводить график равновесных состояний массива 1, соответствующий зависимости (4.11), и линию 2, характеризующую жесткость крепи щ(р), то точка их пересечения (А) определит искомые нагрузку на крепь и смещения пород, при которых установится равновесие. По графику 1.3 можно отметить, что при изменении жесткости крепи или начальных смещений, то изменяются результирующие величины p и uR. Таким образом нагрузка на крепь и смешение контура выработки является результатом взаимодействия крепи с массивом и зависит от обоих взаимодействующих фактов, составляющих в систему «крепь - порода».