Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и зада чи исследований 8
1.1 Горно-геологические и гидрогеологические условия разработки богатых руд Яковлевского месторождения 8
1.2 Физико-механические свойства руд и вмещающих пород 15
1.3 Анализ методов расчета напряженно-деформированного состояния и оценки устойчивости породных обнажений 19
1.4 Задачи и методы исследований 26
ГЛАВА 2. Экспериментальные исследования проявлений гоного давления в горизонтальных выработках 27
2.1 Методика натурных наблюдений за проявлениями горного давления в горизонтальных выработках 27
2.2 Натурные наблюдения за смещениями контура выработки 33
2.3 Натурные наблюдения за смещениями приконтуриого массива вокруг выработки 48
ГЛАВА 3. Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния и зон предельного состояния вокруг горных выработок 77
3.1 Закономерности деформирования рыхлых руд 77
3.2 Обоснование геомеханической модели массива и расчет размеров зон предельного состояния 84
ГЛАВА 4. Сопоставление резуль та тов расчетных и экспериментальных исследований и их практическое использование 108
4.1 Сопоставление расчетных величин свода обрушения в рыхлых рудах с наблюдаемыми размерами их в натуре 108
4.1.1 Натурные наблюдения за формированием свода обрушения в кровле выработки 108
4.1.2 Метод расчета свода обрушения в кровле выработки в мартит-железнослюдковой рыхлой руде. 116
4.2 Расчет нагрузок на поддерживающую крепь горизонтальных выработок 117
4.3 Опытно-промышленные испытания крепей 119
4.4 Рекомендации по креплению выработок в рыхлых рудах 120
Заключение 124
Список литературы
- Анализ методов расчета напряженно-деформированного состояния и оценки устойчивости породных обнажений
- Натурные наблюдения за смещениями контура выработки
- Обоснование геомеханической модели массива и расчет размеров зон предельного состояния
- Натурные наблюдения за формированием свода обрушения в кровле выработки
Введение к работе
Яковлевское железорудное месторождение является уникальным как по запасам богатой руды, так и по сложности горнотехнических и гидрогеологических условий.
В геологическом строении месторождения выделяются два различных генетических комплекса пород: докембрийский кристаллический фундамент и перекрывающая его мощная толща осадочных пород горизонтального залегания. Кристаллические породы представлены плагиогранитами и метаморфическими породами - сланцами, железистыми кварцитами, филлитовыми сланцами. Богатые руды залегают среди выветренных железистых кварцитов на глубине 480-590 м в виде мощной, до 300 м, полосы клинообразной формы. Предел прочности на одноосное сжатие, в среднем, составляет только 1МПа, а пористость 25%.
Гидрогеологические условия месторождения сложные. В разрезе прослеживаются семь водоносных горизонтов. Нижний рудно-кристаллический водоносный горизонт приурочен к верхней коре выветривания пород докембрия и рудной залежи. Залежь богатых руд на участке первоочередной отработки дренирована сетью транспортно-дренажных ортов и дренажных скважин. По состоянию на начало 2006 года не отмечается наличие гидравлической связи руд-но-кристаллического водоносного горизонта с каменноугольным.
Отсутствие гидравлической связи напорного каменноугольного водоносного горизонта с рудно-кристаллическим послужило основанием для определения генеральной стратегии освоения месторождения без осушения водоносных горизонтов в толще осадочных пород, с сохранением водозащитных свойств рудной потолочины и карбоновых пород.
Необходимость сохранения водозащитных свойств покрывающей рудной и породной толщи обуславливает требования к качеству подготовительных, очистных и закладочных работ.
Значительный вклад в исследование процесса деформирования и разрушения пород вокруг горных выработок внесли: Ардашев К.А., Баклашов И.В., Борисов А.А., Булычев Н.С., Воскобоев Ф.Н., Долгий И.Е., Зубов В.П., Карто-зия Б.А., Карташев Ю.М., Каплун А.С., Ковалев О.В., Козырев А.А., Мельников Н.Н., Огородников Ю.Н., Протодьяконов М.М., Протосеня А.Г., Руппенейт К.В., Смирняков В.В., Тимофеев О.В., Трушко В.Л., Фотиева Н.Н., Цимбаревич П.М., Шик В.М. и многие другие.
Однако, в силу сложности горно-геологических и горнотехнических условий Яковлевского месторождения и исключительно малой прочности рыхлых руд, задачи прогнозирования устойчивости рудных обнажений и обоснования выбора типов и параметров крепи не решены до настоящего времени.
Цель работы: обеспечение устойчивости горизонтальных горных выработок, пройденных в рыхлых рудах.
Идея работы: прогноз устойчивости подготовительных выработок должен базироваться на учете напряженного состояния нетронутого рудно-кристаллического массива сложного строения и несущей способности рыхлых руд при применении поддерживающих видов крепи.
Научная новизна работы. В предельной области около выработки с поддерживающей крепью экспериментально установлено наличие зоны с положительной дилатансией (уплотнением) размером 1-1,5 м, переходящей с удалением от контура в зону с отрицательной дилатансией (разуплотнением) рыхлой руды.
Защищаемые научные положения:
Деформирование слабых рыхлых руд вокруг выработок с поддерживающей крепью происходит в течении трех периодов времени с различным характером смещений рудного массива, и, в основном, реализуются в первые 50-250 суток.
Деформирование хлоритизированных слабых руд вокруг рудных штреков можно описать моделью упругопластического тела, используемой для рас-
чета области предельного состояния рудного массива вокруг выработки с помощью предложенной и обоснованной конечно-элементной модели.
3. Вертикальная нагрузка на поддерживающую крепь в слабой мартит-железнослюдковой рыхлой руде должна определяться по разработанной методике, основанной на теории предельного состояния и натурных наблюдениях за деформированием вмещающего массива.
Практическая значимость работы:
Разработана методика расчета вертикальных и горизонтальных нагрузок на поддерживающую крепь выработок в рыхлых рудах
Определены рациональные виды и параметры крепей для поддержания выработок, проводимых по рыхлым рудам, которые использованы во «Временных указаниях по выбору типов и параметров крепи капитальных и подготовительных выработок Яковлевского рудника» С.-Пб. 2006г.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций: подтверждается значительным объемом экспериментальных натурных наблюдений, использованием современных методов геомеханики и компьютерных технологий и опытно-промышленными испытаниями поддерживающих крепей.
Апробация диссертации: содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных конференциях молодых ученых и студентов СШТИ(ТУ) ми. Г.В. Плеханова «Полезные ископаемые России и их освоение» (С.-Петербург, 2003, 2004, 2005) и научно-техническом совете СПГГИ (ТУ)
Личный вклад автора заключается:
В постанове задач исследований, участии в проведении натурных исследований, обработке полученных данных на ЭВМ, анализе натурных данных, создании конечно-элементных моделей для исследования особенностей формирования зон неупругих деформаций вокруг выработок, выполнении численных экспериментов и разработке практических рекомендаций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатных работы в вузовских и межвузовских сборниках научных трудов.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 90 именований, 83 рисунка и 21 таблицы.
Диссертационная работа выполнена автором на кафедре строительства горных предприятий и подземных сооружений СПГГИ. Работа выполнялась под руководством доктора технических наук, профессора Протосени А.Г.
Анализ методов расчета напряженно-деформированного состояния и оценки устойчивости породных обнажений
Приведенные выше результаты изучения физико-механических свойств руд с большим содержанием железа, позволяют отнести их к VIII категории по классификации проф. Протодьяконова - "Землистые породы", с коэффициентом крепости 0,6, и даже к IX категории - "сыпучие породы" (0,5). По классификации грунтов по ГОСТ [16] похожими свойствами обладают грунты II и III категорий, характеризующихся углами внутреннего трения 22-24 и "кажущимися" углами внутреннего трения 28-40. Гранулометрический состав этих руд позволяет ассоциировать их с пылеватыми песками [17, 18, 19]. При изучении напряженно-деформированного состояния вокруг горизонтальных выработок в рыхлых рудах правомерно будет использовать либо, жестко-пластическую модель, либо упруго-пластическую модель массива.
Жесткопластическая модель взаимодействия предполагает образование устойчивого "свода", ограничивающего область деформирующихся при сооружении выработки горных пород. Неупругие деформации намного превосходят упругие и вызываются собственным весом пород в объеме зоны смещения. За пределами этого "свода" массив не оказывает влияния на крепь. Частным случаем жесткопластической модели являются модели М.М.Протодьяконова, П.М. Цимбаревича, М.П. Бродского и др., где рассматривается образование свода обрушения. М.М. Протодьяконов считал, что давление на крепь зависит от свойств (крепости, удельного веса) пород и пролета выработки, а от глубины не зависит (при незначительных глубинах). Для определения давления на крепь он предложил следующую зависимость: где: Ъ - полупролет выработки. Янсеном (Yanssen) и Кеттером (Kotter) рассмотрена модель опускающегося столба пород [20]. Объем пород, составляющий нагрузку на крепь, равен столбу пород над выработкой до земной поверхности. Давление на крепь составляет
А. Како (Caquot) рассмотрена модель зоны нарушенных пород (пластических деформаций). Давление на крепь вызывается только весом пород в нарушенной зоне, за пределом которой массив рассматривается как абсолютно жесткий [21]. Давление на крепь равно 1 ,а-1 cj +с (- V \rcJ ctgcp, (1.3) —sin r0 - радиус выработки, м; rc - радиус зоны нарушенных пород, м. Исследованию жестко-пластической модели взаимодействия сыпучей среды с крепью посвящены работы В.Г. Березанцева [22], Г.Л. Фисенко [23], Н.С. Булычева [24, 25].
В.Г. Березенцевым [22] рассмотрена среда, обладающая сцеплением и внутренним трением, характеризующаяся прямолинейной огибающей наибольших кругов напряжений. Условие предельного равновесия выполняется в каждой точке области предельного равновесия на площадках скольжения, по которым происходит разрушение пород и их перемещение.
Н.С. Булычевым [24, 25] был исследован характер деформирования сыпучей среды вокруг вертикальной цилиндрической выработки. В результате проведенных экспериментов и аналитических исследований следует, что величину нагрузки на крепь ствола можно искать как давление сползающего объема усеченного цилиндра под углом 8.
Жесткопластическую модель характеризует то, что нагрузка и крепь возрастает с увеличением зоны нарушенных пород (т.е. зависит от поперечного сечения выработки) и мало зависит от глубины и характеристики крепи.
Модель упруго-пластической среды для определения нагрузок на крепь капитальных выработок рассматривалась Р. Феннером, А. Лабассом и другими учеными.
При этом рассматривалось сечение массива плоскостью, перпендикулярной к оси выработки и исследовалось напряженное состояние в ней.
Упругопластическая модель рассматривает напряженно деформированное состояние массива при условии, что в нем образуется зона пластических деформаций. Массив за пределами зоны пластичности принимает участие в нагружении крепи. Пластические деформации происходят без изменения свойств пород.
Р. Феннером в 1938 г был рассмотрен массив, обладающий только внутренним трением [26, 27]. Соотношение между напряжениями в пластической зоне вокруг ствола определяются условием Кулона-Мора (сцепление равно 0). Предполагается, что нагрузка на крепь формируется как за счет давления пород в зоне неупругих деформаций, так и за счет упругого взаимодействия массива пород. Нагрузка на крепь вычисляется по формуле: р = /Я(1-sin JZL\ , (1.4) \Ге ) где re - радиус зоны пластических деформаций. Из выражения (1.4) следует, что величина давления на крепь зависит от радиуса зоны пластических деформаций, причем с увеличением этого радиуса давление уменьшается. А. Лабассом [28] было получено выражение для нахождения нагрузки на крепь, когда массив обладает сцеплением р = (уН + CctgcpYl - sin (р\ — - Cctgy. (1.5) V.) Из этой зависимости видно, что с увеличением радиуса зоны пластичности нагрузка на крепь уменьшается. Определение этого радиуса приводится в работе Сажина B.C. [29].
Натурные наблюдения за смещениями контура выработки
На рис 2.5 и рис 2.6 показаны результаты измерений по КЗС - 1, которая была установлена на расстоянии 5,4 м от оси сопряжения экспериментальной выработки с ортом №2. Рудный массив в месте установки станции представлен рыхлой мартитовой рудой. Площадь выработки в свету - 11,2 м2; в проходке -14,5 м . Тип крепи - КМП-АЗ, тип спец. профиля - СВП-27. Плотность установки рам - 1арка/м. Вид затяжки - армокаркас. Длительность наблюдений за смещениями реперов на 27 июля 2005 г. составляла 252 суток.
Экспериментальная выработка ориентирована вдоль по простиранию рудного тела, поэтому бока выработки можно приурочить к лежачему и висячему бокам рудного тела и далее, для краткости, именовать лежачим и висячим боками выработки. Конвергенция боков выработки 1С Изменение ширины выработки Висячий бок Лежачий бок 30 ю о 0 50 100 150 200 250 Рис 2.5 Смещения боков выработки в месте установки КЗС-1.
Из анализа данных о конвергенции боков выработки (А) и смещении её боков относительно центрального отвеса в районе расположения КЗС-1, приведенных на рис 2.5, следует, что ширина выработки наиболее интенсивно изменялась первые 112 суток наблюдений, при этом средняя скорость сближения боков друг относительно друга составляла 0,3 мм/сутки. На 112 сутки наблюдений величина сближения боков составила Ац2=Ъ4 мм. В течение последующих 92 суток изменений ширины выработки не наблюдалось. Начиная с 204 суток наблюдений, сближение боков выработки возобновилось и продолжалось вплоть до 27 июля 2005г. Средняя скорость была 0,21 мм/сут, что ниже того же значения при начальном сближении. Общая величина сближения боков выработки на 27 июля 2005г., составила: 252=45 мм.
Смещение висячего бока относительно центрального отвеса, качественно имело похожий характер с изменением ширины выработки. Так, первые 107 суток наблюдений висячий бок приближался к центральному отвесу со скоростью 0,2 мм/сут. Величина перемещений на 107 сутки наблюдений составила a2}oi=2\ мм. Затем последовал временной промежуток длительностью 108 суток, в течение которого висячий бок не смещался. Возобновление смещений было отмечено на 216 сутки, начиная с этого момента и до 27 июля 2005 г. висячий бок сближался с центральным отвесом со скоростью 0,27 мм/сут. Общая величина сближения висячего бока с центральным отвесом на 27 июля 2005г., равна я2252=30 мм.
Перемещение лежачего бока относительно центрального отвеса, по сравнению с висячим боком, протекало более равномерно. На протяжении 175 суток с момента установки станции, лежачий бок сближался с центральным отвесом со средней скоростью 0,09 мм/сут. и, к моменту, после которого смещения лежачего бока не отмечались, величина смещений достигла значения alns— 15 мм.
На рис 2.6 показано смещение кровли выработки относительно уровня натянутого между боковыми реперами, в месте установки контурной замерной станции №1. Из рис 2.6 видно, что расстояние между репером, установленным в кровле выработки, и уровнем, натянутым между боковыми реперами, увеличивалось практически весь период наблюдений. Первоначально указанное расстояние увеличилось на 5 мм, это произошло на 2 сутки после установки стан ции. После этого 76 суток кровля не смещалась. Особо следует выделить временной промежуток между 78 и 98 сутками наблюдений, когда расстояние между кровельным репером и уровнем скачкообразно увеличилось до величины //9,5= 94 мм. Такой резкий скачек можно объяснить тем, что во время ведения проходческих работ, кровельный репер был смещен относительно своего первоначального положения. Однако на этом процесс увеличения расстояния не заканчился, и в последующие за скачком 83 дня, скорость увеличения расстояния составила 0,23 мм/сут. Наибольшее расстояние между кровельным репером и уровнем было зарегистрировано на 181 сутки с начала проведения наблюдений, и составила /іш=113 мм. После этого расстояние между кровельным репером и уровнем начало уменьшаться. На 27 июля 2005г величина отдаления кровли была равна І1252- 98 мм.
Продолжительность наблюдений, сут Рис 2.6 Смещения кровли выработки в месте установки КЗС-1. Контурная замерная станция №2 Контурная замерная станция №2 была установлена на расстоянии 20,2 м от оси сопряжения экспериментальной выработки и орта №2. Рудный массив в месте установки был представлен рыхлой слоистой мартитовой рудой, местами встречались слойки гидрогематита. Прослеживалось окварцевание в виде про 36 жилков и гнезд мощностью до 20 см. Площадь выработки в свету - 11,2 м2; в проходке - 14,5 м2. Тип крепи - КМП-АЗ, тип спец. профиля - СВП-27. Плотность установки рам - 1арка/м. Вид затяжки - армокаркас. Длительность наблюдений за смещениями реперов на 27 июля 2005 г. составляла 235 суток. На рис 2.7 показаны результаты наблюдений за конвергенцией боков выработки в месте установки контурной замерной станции №2. Анализируя результаты наблюдений можно заметить, что первые 6 суток наблюдений конвергенция боков выработки происходила с наибольшей скоростью 1,7 мм/сут, бока выработки приблизились друг к другу на 5=10 мм. С 6 по 61 сутки наблюдений, скорость конвергенции боков выработки снижалась дважды; сначала до величины 0,14 мм/сутки, а затем до значения в 0,02 мм/сут. Конвергенция на 61 сутки составляла величину /=12 мм. Начиная с 61 суток и далее в течение 126 дней, сближение боков выработки не происходило. Конвергенция боков выработки возобновилась в период с 187 суток и до 27 июля 2005г, скорость сближения в этот момент составила 0,08 мм/сут. Общая величина сближения боков составила: Агз5=16 мм.
Обоснование геомеханической модели массива и расчет размеров зон предельного состояния
В связи с выше сказанным, наиболее перспективным, для поиска размеров зон предельного состояния вокруг выработок произвольной формы, представляется применение удобной в практическом отношении методики численного расчета - метод конечных элементов (МКЭ).
Основная идея МКЭ состоит в том, что любую непрерывную величину (перемещение, температура, давление и т.п.) можно аппроксимировать моделью, состоящих из отдельных элементов (участков). На каждом из этих участков исследуемая непрерывная величина аппроксимируется кусочно-непрерывной функцией, которая строится на значениях исследуемой непрерывной величины в конечном числе точек рассматриваемого элемента.
Чаще всего при построении дискретной модели непрерывной величины поступают следующим образом [63]:
1. Область определения непрерывной величины разбивают на конечное число подобластей, называемых элементами. Эти элементы имеют общие узловые точки и в совокупности аппроксимируют форму области.
2. В рассматриваемой области фиксируется конечное число точек. Эти точки называются узловыми точками или просто узлами.
3. Значение непрерывной величины в каждой узловой точке первоначально считается известным, однако необходимо помнить, что эти значения в действительности предстоит определить путём наложения на них дополнительных ограничений в зависимости от физической сущности задачи.
4. Используя значения исследуемой непрерывной величины в узловых точках и ту или иную аппроксимирующую функцию, определяют значения исследуемой величины внутри области.
Ниже разобран пример использования МКЭ для решения плоских задач теории упругости с использованием треугольных элементов.
В плоской задаче теории упругости точки области получают перемещения, характеризуемые компонентами и и v вдоль осей х и у соответственно. Каждый из этих компонентов является непрерывной функции координат, кото рые можно графически изобразить в виде гладких поверхностей над плоскостью ху (рис 3.9). Каждая из этих гладких поверхностей аппроксимируется набором треугольных участков и;, Uj, Uk, и Vj, Vj, Vk (рис 3.9), определенных над треугольной же подобластью i, j, к (конечным элементом) рассматриваемых поверхностей в плоскости ху.
Положение плоскости в пространстве определяется однозначно тремя точками, лежащими не на одной прямой. Очевидно, для аппроксимации гладких поверхностей функций и и v участками плоскостей конечные элементы i, j, к должны быть треугольными. Отклонение аппроксимирующей кусочной поверхности от реальной гладкой будет тем больше, чем больше кривизна гладкой поверхности и чем больше размер конечного элемента. Отсюда вытекает основное правило построение сетей конечных элементов: сгущение сети в местах ожидаемых высоких градиентов искомой функции [64].
Разбив заданную область в плоскости ху на треугольные элементы, аппроксимируем гладкие функции перемещений в пределах элементов линейными полиномами:
Метод конечных элементов предполагает, что силовые взаимодействия между элементами осуществляются только в узловых точках. Деформирование элемента от формы 1 (рис 3.10) до формы 2 обусловлено приложением со стороны соседних элементов или внешних воздействий сил F„Fj и Fk, каждая их которых раскладывается на две составляющие вдоль координатных осей [66].
Для вывода зависимости шести компонентов узловых сил от шести компонентов узловых перемещений используется принцип возможных перемещений в следующей формулировке: при возможном бесконечно малом перемещении узлов точек работа узловых сил должна быть равна работе внутренних напряжений. Дадим бесконечно малое перемещение dS узлу і в направлении оси х. Полный вектор узловых перемещений при этом будет иметь вид [67] {d8}={d8 0 0 0 0 0}T=d8-{\ 0 0 0 0 0}г. (3.14)
Натурные наблюдения за формированием свода обрушения в кровле выработки
С целью проверки возможности крепления выработок пролетом до 4 м в свету арками из СВП-22, пролетом свыше 5,0 м арками из СВП-27 проектом было предусмотрено установка, в экспериментальной выработке, крепления КМП-АЗ в 4-х вариантах, отличающихся пролетом выработки в свету и плотностью крепления, арок/м и номером спецпрофиля. Участки расположены последовательно, начало первого участка находится на сопряжении экспериментальной выработки с ортом №2 см рис 2.1.
В результате наблюдения за этими видами крепей ни на одном из участков видимых деформаций крепи обнаружено не было. Податливость крепей не была полностью реализована. На всех участках состояние выработки можно охарактеризовать как устойчивое.
Рекомендации по креплению выработок в рыхлых рудах Арочную и трапециевидную податливые крепи рекомендуется применять в горизонтальных и наклонных выработках и их сопряжений как вне так и в зоне влияния очистных работ в неустойчивых массивах руд и пород. Металлическая арочная податливая крепь в комбинации со специальными мероприятиями может также применяться при проходке выработки в зонах повышенного горного давления, на участках с высокими тектоническими напряжениями, дизъюнктивных нарушений с раздробленными и обводнёнными породами, контакта слабых руд и пород. Ширина выработки по почве в проходке не более 6 м, площадь поперечного сечения в свету - до 20 м2.
Крепь металлическая арочная податливая трёхзвенная КМП-АЗ изготовляется из специального взаимозаменяемого профиля СВП. Типоразмер СВП и расстояние между арками определяется расчётом требуемой несущей способности крепи в зависимости от размеров выработки, величины и характера нагрузки на арку. В качестве межрамного ограждения используются различные конструкции металлической затяжки.
На Яковлевском руднике получила распространение арочная крепь ограниченной до 50 мм податливости (табл. 4.5.)[83]. Стойка с верхняком скрепляется двумя скобами соединительного узла ЗПК, устанавливаемых на расстоянии 100 мм от концов соединения и 200 мм друг от друга. Межрамным ограж-дением служит решётка-затяжка площадью 0,364 м и массой 13,2 кг. (рис 4.9) [84] Нагрузка со стороны кровли Р определяется по методике, изложенной выше [86]. Максимальное расстояние между арками принимается равным 1,0 м по параметрам межрамного ограждения и межрамных стяжек. В связи с низкой прочностью руд стойки крепи должны иметь опорные подкладки (башма-ки)[87].
По данным табл. 4.6 видно, что от конструкции замка существенно зависит сопротивление арки. Рекомендуется применять замки с фигурной планкой.
Состояние крепи выработок в рыхлых и полурыхлых рудах тесно связано с качеством буровзрывных работ. Параметры паспорта БВР должны исключать отбойку руд сверх проектного контура. Для этого необходимо путем опытных взрывов определить для разных типов руд оптимальные удельный расход ВВ, тип вруба, глубину и число шпуров, расстояние оконтуривающих шпуров до проектного контура, а также подобрать число ступеней замедления с учетом снижения массы зарядов, взрываемых одновременно.
Целесообразно указать в паспортах крепления требования по обязательной качественной, плотной забутовке пустот за крепью, особенно в боках выработки.
В особо сложных условиях предлагается проверить на практике и применить при проходке выработок более надежную конструкцию опережающей крепи с закладными анкерами (рис 4.10) [88,89].
