Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние изученности вопроса и задачи
1.1 Горно-геологические и гидрогеологические условия Яковлевского
1.2 Физико-механические свойства рудного и закладочного массива 14
1.3 Анализ способов закладки выработанного пространства 18
1.4 Анализ методов расчета напряженно-деформированного состояния и оценки устойчивости горных выработок в рудном и закладочном массиве 24
1.5 Выводы по главе 1 36
ГЛАВА 2 Экспериментальные исследования прочностно деформанионных свойств закладочного массива и устойчивости горных выработок 37
2.1 Разработка методики определения прочностных свойств закладочного материала в лабораторных и шахтных условиях неразрушающими методами
2.2 Разработка методики оценки устойчивости горных выработок в закладочном массиве 50
2.3 Результаты определения прочности образцов закладочного массива, отобранных в лабораторных и шахтных условиях 54
2.4 Оценка устойчивости горных выработок, пройденных в закладочном массиве 88
2.5 Выводы по главе 2 101
ГЛАВА 3 Моделирование напряженно-деформированного состояния закладочного массива при ведении горных работ 103
3.1 Выбор и обоснование модели расчета напряженно-деформированного состояния закладочного массива 103
3.2 Расчет напряженно-деформированного состояния закладочного массива
3.3 Анализ результатов расчета и выявление закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния вокруг выработки, пройденной в закладочном массиве 121
3.4 Выводы по главе 3 129
ГЛАВА 4 Разработка рекомендаций по расчету напряженно деформированного состояния и способам поддержания выработок в закладочном массиве 131
4.1 Методика расчета напряженно-деформированного состояния вокруг
4.2 Методика расчета параметров упрочняющей крепи горизонтальных выработок под действием вышележащего закладочного массива 135
4.3 Рациональные способы обеспечения устойчивости горных выработок в закладочном массиве 153
4.4 Выводы по главе 4 160
Заключение 162
Список литературы
- Анализ способов закладки выработанного пространства
- Разработка методики оценки устойчивости горных выработок в закладочном массиве
- Расчет напряженно-деформированного состояния закладочного массива
- Методика расчета параметров упрочняющей крепи горизонтальных выработок под действием вышележащего закладочного массива
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В современных условиях экономического развития Российской Федерации одной из базовых отраслей является черная металлургия, развитие которой невозможно без надежной минерально-сырьевой базы и эффективного горнодобывающего производства.
На месторождениях Курской магнитной аномалии (КМА) до
бывается более 50 % отечественного железорудного сырья. Наиболее
крупное из них - Яковлевское месторождение богатых железных руд,
наряду с другими месторождениями КМА, уникально как по качеству
железорудного сырья, так и по сложности горно-геологических и гид
рогеологических условий. Месторождение отрабатывается системами
разработки с полной закладкой выработанного пространства твердею
щими смесями с различными прочностными и физико-механическими
свойствами. Однако параметры формирования напряженно-
деформированного состояния (НДС) закладочного массива и его проч-ностно-деформационные характеристики изучены недостаточно, что не позволяет обоснованно выбирать способы поддержания выработок в закладочном массиве.
Увеличение производительности Яковлевского рудника предусматривается за счет перехода от нисходящей слоевой системы разработки месторождения к камерной системе, что потребует проведения подготовительных выработок в закладочном массиве при ведении горных работ. В этой связи особое значение приобретает обеспечение устойчивого состояния горных выработок, пройденных в искусственном закладочном массиве.
Значительный вклад в исследование процесса деформирования и разрушения пород вокруг горных выработок внесли как отечественные, так и зарубежные ученые: Баклашов И.В., Безродный К.П., Бублик Ф.П., Булычев Н.С., Картозия Б.А., Ковалев О.В., Огородников Ю.Н., Протодьяконов М.М., Руппенейт К.В., Тимофеев О.В., Фотиева Н.Н., Цимбаревич П.М., E. Brown, B.H. Brady и др.
Большой вклад в изучение опорного давления и устойчивости горных выработок внесли отечественные и зарубежные специалисты: Ардашев К.А, Борисов А.А., Галаев Н.З., Долгий И.Е, Зубков В.В., Зубов В.П., Каплунов Д.Р., Козырев А.А., Ковалев О.В., Корнилков М.В., Петухов И.М., Протосеня А.Г., Сажин В.С., Сергеев С.В., Слесарев В.Д., Смирняков В.В., Трушко В.Л, Черняк И.Л, W. Kamp, E. Hoek и др. Однако проведение выработок в закладочном массиве рас-
смотрено недостаточно в отечественной и зарубежной литературе.
Цель работы. Обеспечение эксплуатационного состояния горных выработок в закладочном массиве при разработке железорудных месторождений в сложных горно-геологических условиях.
Идея работы. На основе изучения прочностно-деформационных характеристик и моделирования напряженно-деформированного состояния закладочного массива разработать рекомендации по обеспечению устойчивости горных выработок в закладке.
Основные задачи исследования:
анализ отечественной и зарубежной литературы;
лабораторные и шахтные исследования физико-механических свойств закладочного массива;
проведение натурных наблюдений за НДС закладочного массива и анализ полученных результатов;
выявление закономерностей деформирования закладочного массива и оценка устойчивости в нем горных выработок;
разработка конечно-элементных моделей закладочного массива и расчет НДС при проведении горной выработки;
разработка рекомендаций по поддержанию горных выработок в закладочном массиве.
Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплекса методов исследований, включающего анализ отечественной и зарубежной литературы, лабораторные и шахтные исследования физико-механических свойств закладочного массива, натурные исследования НДС закладочного массива, численное моделирование геомеханических процессов деформирования закладочного и рудного массива при проведении горной выработки.
Научная новизна:
выявлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния закладочного массива при ведении горных работ;
установлены градуировочные зависимости для оценки прочности закладочного массива в лабораторных и шахтных условиях ультразвуковым методом неразрушающего контроля.
Положения, выносимые на защиту:
-
Прочность образцов закладочного массива в лабораторных и шахтных условиях следует определять неразрушающим методом по скорости ультразвука, на основе статистической градуировочной зависимости.
-
Напряженно-деформированное состояние закладочного мас-
сива следует описывать упруго-пластической моделью с учетом изменения полей вертикальных и горизонтальных напряжений при ведении горных работ.
3. Устойчивость горных выработок в закладочном массиве достигается установкой упрочняющей крепи, параметры которой определяются прочностно-деформационными свойствами и напряженно-деформированным состоянием закладочного массива.
Практическая значимость работы:
разработана методика определения прочностных свойств закладочного материала в лабораторных и шахтных условиях неразру-шающим методом контроля;
разработана методика оценки устойчивости горных выработок в закладочном массиве в условиях Яковлевского месторождения;
разработаны рекомендации по обеспечению устойчивости горных выработок в закладочном массиве.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается значительным объемом проведенных лабораторных исследований физико-механических свойств закладочного массива и хорошей сходимостью результатов выполненных натурных наблюдений за состоянием закладочного массива на Яковлевском руднике с данными численного моделирования НДС закладочного массива, вмещающего горные выработки.
Апробация диссертации. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных конференциях молодых ученых и студентов в 2014-2016 гг. (Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург); на заседаниях кафедры Строительства горных предприятий и подземных сооружений Национального минерально-сырьевого университета «Горный»; на III Всероссийской научной конференции с международным участием «Информационные технологии в горном деле» (Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2015); на XLI международной научно-практической конференции «Наука и современность - 2015» (Новосибирск: Издательство ЦРНС, 2015) и получили одобрение.
Реализация результатов работы. Результаты исследования использованы для обоснования способов поддержания горных выработок, пройденных в закладочном массиве, при отработке Яковлевского месторождения богатых железных руд и могут быть рекомендованы к применению при подземной разработке железорудных месторождений, имеющих аналогичные горно-геологические условия.
Научные результаты могут быть использованы в учебном про-
цессе при чтении дисциплин: «Геомеханика», «Механика подземных сооружений», «Материалы и конструкции крепей горных выработок», подготовке аспирантов и повышении квалификации специалистов.
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований; участии в проведении лабораторных и шахтных исследований физико-механических свойств и натурных исследованиях НДС закладочного массива; статистической обработке результатов исследований; анализе закономерностей формирования закладочного массива и оценке устойчивости горных выработок в закладочном массиве; в постановке задач конечно-элементного моделирования; в разработке плоских конечно-элементных моделей для исследования особенностей формирования НДС при проведении выработок в закладочном массиве; в разработке рекомендаций по способам поддержания горных выработок в закладочном массиве.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 3 работы в изданиях, входящих в Перечень ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации. Одна из работ является патентом на изобретение № 2542067 от 04.02.2014 (опубликован 20.02.2015) «Податливая анкерная крепь».
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 101 наименования, 81 рисунок и 41 таблицу.
Анализ способов закладки выработанного пространства
В связи с крайне высокой обводненностью покрывающей толщи пород добыча руды должна производиться с полной закладкой выработанного пространства, для исключения возможности затопления рудника.
Все методы закладки выработанного пространства делятся в зависимости от способа транспортирования закладочного материала до места его укладки: самотечная, механическая, пневматическая, гидравлическая [12].
Самотечная закладка применяется при разработке крутопадающих месторождений, когда закладочный материал может размещаться в выработанном пространстве под действием собственной силы тяжести. Для достижения высокой плотности закладочного массива рекомендуется принимать максимальный размер куска не более 250-300 мм, при этом содержание мелких частиц должно быть до 10-15 %, а фракции от 0 до 20 мм - до 30%. Содержание глинистых пород не должно превышать 20 %. Для снижения пылеобразования и увеличения плотности укладки закладочную смесь увлажняют. При мелкокусковом материале усадка достигает 15-25 %. При крупнокусковом - до 30-40 %. Поэтому требуется периодическая дозакладка камер [12].
При механическом способе закладки применяются специальные метательные закладочные машины, скреперные установки, конвейеры, самоходные машины. В качестве закладочных материалов используются различные сыпучие материалы с размером кусков до 80-100 мм (при метательных машинах) и до 250-300 мм (при других способах доставки). Усадка закладочного массива в первом случае составляет 20-30 %, а в других - до 30-40 % [12].
Для пневматической закладки требуются более мелкие дробленые материалы с размером частиц до 30-40 мм и содержанием глины не более 10-15 %. Доставка и размещение закладочного материала в выработанном пространстве производится за счет энергии струи сжатого воздуха. Значительная скорость движении частиц материала (до 30-40 м/с) обеспечивает более высокую плотность укладки (усадка составляет 10—15 %), особенно при увлажнении материала [12]. На практике наиболее часто применяется гидравлическая закладка выработанного пространства песками, гранулированными обесшламленными хвостами обогатительных фабрик с содержанием 10-15 % илистых фракций (для меньшего износа труб при транспортировании материала). После обезвоживания размещённого в отработанных камерах материала образуется довольно плотный искусственный массив с небольшой (до 5-10 %) усадкой, плотно подпирающий обнаженные стенки камер. Дозакладка пустот после усадки материала может обеспечить надежное подбучивание кровли камер.
На Яковлевском руднике используются самотечная закладка, пневматическая и самотечно-пневматическая.
Составы закладочных смесей на руднике готовятся на основе мелкого песка и мелкой фракции дробленой породы, то есть по существу являются связными, пластичными и нерасслаивающимися смесями, пригодными для самотечного транспортирования. На основании этого применяется самотечный режим транспортирования, как наиболее экономичный.
В зависимости от свойств и состояния закладки можно выделить три её разновидности: сухую, гидравлическую и твердеющую. Две первые представляют собой совокупность несвязных между собой частиц.
На Яковлевском руднике применяется твердеющая закладка. Принципиальным отличием массива твердеющей закладки от сухой и гидравлической закладки является способность её не только самостоятельно сохранять свою форму и свойства, но и нести различные нагрузки.
Твердеющая закладка стала применяться в горнодобывающем производстве сравнительно недавно (последние 50 - 60 лет) - это, по существу, разновидности «тощих» бетонов, опыт получения и изучения которых насчитывает сотни лет. В связи с высокой стоимостью твердеющих материалов данный вид закладки используется после технико-экономического анализа целесообразности этого варианта.
Твердеющая закладка применяется для создания монолитных искусственных целиков (столбов), ограждающих подпорных стенок, перемычек, искусственных массивов. В условиях разработки Яковлевского месторождения формирующийся искусственный массив выполняет функцию защитного перекрытия.
Твердеющие закладочные смеси включают вяжущие материалы, инертные заполнители, воду и пластификаторы. Несмотря на большое многообразие вариантов систем разработки месторождений с твердеющей закладкой, с геомеханической точки зрения их можно объединить в две группы [12]: многостадийная отработка слоя, этажа; одностадийная сплошная отработка.
При многостадийной отработке руды этаж или горизонтальный слой делят по простиранию на камеры (при слоевой схеме — заходки) 1-й, 2-й, 3-й и т. д. очереди очистной выемки. Чаще всего используют двухстадийную отработку. Большее количество стадий отработки применяют при очень слабых, неустойчивых рудах [12].
На рисунке 1.3 показана многостадийная схема отработки панели, ограниченной барьерными целиками, камерами в две очереди. Сначала отрабатывают запасы камер 1-й очереди (лучше в направлении от центра к периферии панели), заполняя образовавшиеся пустоты твердеющей закладкой. Во 2-ю очередь отрабатывают камеры, соседние с камерами 1-ой очереди, и заполняют их обычно несвязной, как правило, гидравлической закладкой. В результате образуется неоднородный закладочный массив.
По технологическим соображениям ширину камер обеих очередей целесообразно принимать одинаковой. При этом обычным расчетным путем устанавливают устойчивый размер естественного целика между камерами 1-ой очереди, т.е., фактически, ширину будущих камер 2-ой очереди, а затем принимают равный ему размер (ширину) камеры 1-ой очереди.
Разработка методики оценки устойчивости горных выработок в закладочном массиве
Значение коэффициента корреляции R 0,7 говорит о том, что результаты прочности образцов закладочной смеси будут соответствовать косвенным показателям прочности образца с точностью 70% и более, что является достаточным для применения полученной градуировочной зависимости [46].
При определении градуировочных зависимостей на поверхностном закладочном комплексе и непосредственно из закладочного массива были отобраны пробы в количестве 15 серий образцов и более (одна серия включает 3 образца) [46, 47] для марок М100 и М40 в возрасте 90 суток соответственно. Данные марки закладочной смеси используются на руднике для закладки выработанного пространства после горно-проходческих работ.
В соответствии с проектом прочность закладочного массива в защитной потолочине должна составлять не менее 10 МПа, на рабочих слоях - не менее 4,0 МПа, для сопряжений - не менее 6,0 МПа.
Под устойчивостью горных выработок понимается способность выработки в течение всего срока эксплуатации сохранять заданные форму и размеры [13].
В качестве мер охраны рудника проектом приняты оставление потолочины из богатых железных руд мощностью 65 м под неосушенной водоносной толщей осадочных пород и ведение горных работ с полной закладкой выработанного пространства твердеющими смесями [5, 6, 10]. Увеличение производительности Яковлевского рудника предусматривается за счет перехода от нисходящей слоевой системы разработки месторождения к камерной системе, что потребует проведения подготовительных выработок в закладочном массиве при ведении горных работ.
Для установления влияния негативных факторов на состояние закладочного массива и разработки способов обеспечения устойчивости горных выработок под защитным перекрытием были выполнены натурные наблюдения в условиях Яковлевского рудника
Цель натурных наблюдений - определение характера деформирования закладочного массива при ведении проходческих работ.
Задачи натурных наблюдений: - по результатам наблюдений уточнить схему формирования зоны предельного состояния закладочного массива; - по полученным данным сформировать экспериментальную базу для выбора геомеханической и численной модели поведения закладочного массива; - обосновать способы обеспечения устойчивости горных выработок в закладке. Методика обследования и анкетирования горных выработок включает: - измерение геометрических размеров сечения выработки; - описание применяемой крепи (если таковая есть в наличии); - оценку состояния устойчивости обнажений в выработке; - определение прочности закладочного материала в кровле и боках выработки. Целью обследования выработок в закладочном массиве Яковлевского рудника является: - получение фактических данных о процессах деформирования вмещающего выработку закладочного массива, необходимых при выполнении численно-аналитических исследований; - выявление характера деформирования закладочного массива при проведении выработки в зависимости от прочностно-деформационных характеристик закладки; - установление характера формирования свода естественного равновесия (обрушения) вокруг выработок, проводимых в закладочном массиве. Оценка состояния горных выработок производилась в следующем порядке. В первую очередь проводились обследования, сопоставимые с проведением выработок в закладочном массиве (бока и кровля выработки представляют собой искусственный массив), в пределах рассматриваемого участка. На обследуемом участке особое внимание уделялось характеру разрушения закладочного массива на контуре выработки. Для оценки устойчивости обнажений в выработке лазерным дальномером (рулеткой) измерялись геометрические размеры вывалов и отслоений, визуально оценивался их объем, схематически зарисовывалось фактическое сечение выработки в анкете наблюдений, далее производилась фотосъемка обследуемого участка [50].
Для определения прочности закладочного материала в горных выработках в шахтных условиях применялся ультразвуковой метод неразрушающего контроля прочности, согласно ГОСТ 17624-2012 [46], методика которого рассмотрена в разделе 2.1.
Значения прочности закладочного материала определялись при помощи градуировочных зависимостей, которые указаны в разделе 2.3. Место для измерения прочности осматривалось на предмет наличия трещин и пустот, зачищались от посторонних образований (шахтной пыли и т.п.) и далее производились замеры скорости ультразвука прибором Пульсар-2.2. В каждой серии измерений число определений скорости прохождения поверхностной волны равнялось 7, после чего они усреднялись и заносились в анкету наблюдений. На основании полученных результатов обследования заполнялась анкета натурных наблюдений за состоянием выработок (таблица 2.3).
Расчет напряженно-деформированного состояния закладочного массива
В связи с неудовлетворительными результатами, полученными для метода ударного импульса, данный метод при определении прочностных свойств образцов закладочного массива не рассматривался. В результате проведенных исследований были установлены градуировочные зависимости для ультразвукового метода контроля прочности:
На рисунке 2.19 представлены результаты определения скорости ультразвука и прочности для всех рассмотренных образцов. Области точек и аппроксимирующие их линии имеют практически одинаковый наклон и отличаются величиной смещения относительно оси ординат.
Таким образом, количественная оценка прочности закладочного массива может производиться по градуировочной зависимости, полученной для образцов, отобранных из закладочного массива, либо по градуировочным зависимостям для контрольных образцов, отобранных на поверхности, с учетом поправочного коэффициента.
Для определения поправочного коэффициента рассматривались 2 интервала скорости ультразвука: первый - от 2200 до 2700 м/с (интервал скоростей, соответствующий прочности контрольных образцов марки М40), второй - от 2700 до 3400 м/с (интервал скоростей, соответствующий прочности марки Ml00). Рисунок 2.19 - Зависимость между скоростью ультразвука и прочностью образцов: 1 - отобранных из закладочного массива; 2,3- контрольных образцов марки Ml 00 и М40 соответсвенно, отобранных на поверхностном закладочном комплексе, Для данных интервалов скоростей ультразвука по зависимостям (2.12), (2.13), (2.23) вычисляются значения прочности и средний по интервалу поправочный коэффициент: где Riul и К)п - значения прочности, определенные по градуировочным зависимостям, установленным по результатам испытаний образцов, отобранных из закладочного массива и на поверхностном закладочном комплексе, при одинаковой скорости ультразвука. Результаты определения поправочного коэффициента представлены в таблице 2.13. Для первого интервала (М40) скорости ультразвука отличие между значениями прочности, полученными по градуировочной зависимости для образцов из закладочного массива, и прочностью для контрольных образцов, отобранных на поверхности, с учетом поправочного коэффициента, не превышает 8 %, для второго (М100) - менее 5 %.
Таким образом, для контроля прочности закладочного массива следует использовать градуировочные зависимости для контрольных образцов, отобранных на поверхностном закладочном комплексе, с учетом поправочного коэффициента: - для закладочной смеси марки М40 - 1,6; - для закладочной смеси марки Ml00 - 0,91.
Для оценки устойчивости горных выработок было проведено визуальное обследование гор. -374 м, -378 м, -382 м, пройденных под защитным перекрытием, вприсечку к закладочному массиву. Такие условия рассматривались в связи с тем, что на сегодняшний день отсутствуют конкретные примеры проходки выработок непосредственно в закладочном массиве. Наименование выработок и их краткая характеристика приведена в таблице 2.14.
В качестве наглядного примера приведены результаты обследования горной выработки 4-1-23, пройденной под защитным перекрытием в блоке №4, горной выработки 6-1-29, пройденной под защитным перекрытием в блоке № 6 и горной выработки 1-3-5 в, пройденной в блоке № 1.
Очистная заходка № 4-1-23 Выработка проходится вкрест простирания пород и руд северо-западного направления под углом падения 45-75 на северо-восток. На большей части К О Состояние очистной заходки № 4-1-23 Крепь выработки отсутствует, выработка сохраняет устойчивое состояние за счет защитной потолочины в кровле (очистные заходки 5-0-21 и 5-0-22) и сформировавшегося закладочного массива в боках (очистные заходки 4-1-22 и 4-1-24). На отдельных участках выработки наблюдаются водопроявления в виде редкого рассеянного капежа. В таблице 2.15 приведены результаты измерений прочности закладочного материала в кровле и боках горной выработки 4-1-23. В таблице 2.16 приведена анкета визуального наблюдения за состоянием выработки 4-1-
Выработка проходится правым бортом вприсечку к очистной заходке № 6-1-28, вкрест простирания пород и руд северо-западного направления под углом падения 35-75 на северо-восток. По большей части протяжения выработки наблюдается руда ЖСМ f = 1-2.
Осмотрен участок от сопряжения со слоевым штреком № 6-1-1 и на протяжении 150 метров по длине выработки. В районе ПК-3 обнаружен вывал величиной 0,9 м, на данном участке произошло выдавливание затяжки и деформации арочной крепи (рисунок 2.21 а).
В районе ГЖ-3+3 наблюдается вывал глубиной 3 м в сторону породного массива (рисунок 2.21 б).
На расстоянии 20-25 м от сопряжения с СШ № 6-1-1 имеется вывал величиной 0,85-0,9 м (рисунок 2.21 в, г, д). На данном участке выработки отсутствует затяжка в виде просечного листа. Деревянная забутовка присутствует только в боках выработки, в кровле выработки взаимодействие крепь-массив не обеспечивается.
Методика расчета параметров упрочняющей крепи горизонтальных выработок под действием вышележащего закладочного массива
Для расчета НДС закладочного массива строят геомеханическую модель, с помощью которой можно спрогнозировать предполагаемое поведение искусственного перекрытия при ведении горных работ.
В геомеханической модели реальный массив заменяется весомой конечной областью. При задании граничных условий запрещаются перемещения по боковым граням области по оси х и по нижней грани по оси у. Естественное напряженно-деформированное состояние массива задается вертикальными и горизонтальными напряжениями, приложенными к граням конечно-элементной модели. Величина вертикальных напряжений задается исходя из ранее выполненных расчетов НДС неоднородного рудного массива.
Модель представляет собой участок массива с определенными размерами по высоте и ширине, чтобы исключить влияние граничных условий на распределение напряжений и деформаций вокруг выработок.
Дискретизация расчетной области модели реализуется таким образом, чтобы минимальный геометрический размер конечного элемента составил 0,1-0,3 м на контуре выработок в зависимости от требуемой точности решения задачи, а максимальный по мере удаления - 4-5 м. Посредством этого осуществляется сгущение сетки конечных элементов в окрестности проводимых выработок. В качестве используемого типа конечных элементов принимаются плоские четырехузловые конечные элементы первого порядка, обеспечивающие достаточную точность решения. После чего определяется общее количество элементов узловой сетки.
Вокруг выработок, пройденных в закладочном массиве, развиваются процессы упруго-пластического деформирования с образованием зон нелинейных деформаций [78]. Поэтому в качестве модели рассматривается упруго-пластическая модель деформирования с условием прочности Кулона-Мора, которая дает близкую к натурным условиям количественную и качественную оценку НДС вмещающего закладочного и рудного массивов [79]. 2. Определение прочностно-деформационных свойств закладочного массива. Для определения прочностно-деформационных свойств закладки при построении конечно-элементной модели производится предварительный отбор исследуемого материала. Для этого на экспериментальном участке бурят скважины по отбору кернов закладочного массива, с соблюдением следующих условий: - не менее 2 скважин длиной 4-5 м через 90 суток и более после укладки закладочной смеси; - интервал отбора керна на экспериментальном участке принимается согласно РД-51-60-82 [80]. Из керна производится подготовка цилиндрических образцов закладочного массива и их испытание на одноосное и объемное сжатие.
После проведения испытаний на одноосное сжатие и обработки результатов устанавливаются зависимости а-є для закладочного материала, характеризующие его упруго-пластическое деформирование (рисунок 4.1). По зависимостям определяют условия предельных состояний: предела упругости, предела прочности и остаточной прочности [81-85].
По результатам испытаний на объемное сжатие строятся паспорта прочности закладочного материала (рисунок 4.2) и определяются: модуль деформации (Е), коэффициент сцепления (С) и угол внутреннего трения (ф) (таблица 4.1).
Паспорт прочности для образцов закладочного материала Таблица 4.1 - Результаты определения прочностно-деформационных свойств закладочного материала
Определение НДС закладочного массива производится в зависимости от количества отработанных слоев под защитным перекрытием (2-х, 3-х, 4-х слоев и т. д.). После отработки слоев рудного массива и последующих закладочных работ происходит изменение НДС по контуру закладки, в результате чего с помощью моделирования определяют новые значения вертикальных и горизонтальных полей напряжений на контуре закладочного массива в зависимости от глубины разработки.
Данная задача разбивается на определенное количество последовательно выполняемых шагов. Порядок отработки выработок 0-ого слоя (защитное перекрытие) и последующих слоев под защитным перекрытием детально рассмотрен в разделе 3.2.
На заключительном шаге моделирования определяют значения коэффициента концентрации максимальных главных напряжений и смещений на контуре выработки, пройденной в закладочном массиве (рисунок 4.3), в зависимости от глубины разработки месторождения и геометрических параметров выработки, что может быть использовано для определения параметров упрочняющей крепи.