Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса и задачи исследований 9
1.1 Обзор научно-технической литературы и данных практики по теме исследования 9
1.1.1 Основные понятия о структурно-тектонических особенностях горных пород
1.2 Современные представления о блочных моделях массивов горных пород 16
1.3 Прочность скальной породы 23
1.4 Анализ методов изучения напряженно-деформированного состояния и устойчивости породных обнажений 27
1.5 Выводы по главе
Цель и задачи исследования 35
Глава 2 Геологическое строение, структурно-тектонические особенности меторождения плато расвумчорр и натурные наблюдения за состоянием выработок 37
2.1 Горно-геологические особенности месторождения 37
2.1.1 Геологическое строение 37
2.1.2 Структурно-тектонические особенности породного массива месторождения Плато Расвумчорр 40
2.1.3 Физико-механические свойства пород месторождения Плато Расвумчорр 42
2.2 Натурные испытания сканера скважин малого диаметра в рамках программы по обеспечению безопасной отработки месторождений апатито-нефелиновых руд 45
2.2.1 Метод дискования керна 45
2.2.2 Горно-геологическая и горнотехническая характеристика обследуемых выработок 47
2.2.3 Методика и техника полевых работ 49
2.2.4 Результаты проведенных исследований 53
2.3 Выводы по главе 2 61
Глава 3 STRONG Численное моделирование геомеханических процессов при прогнозировании устойчивости выработок с учетом блочности и техногенной нарушенности массива 63
3.1 Основные данные об объекте исследования STRONG 63
3.2 Прогноз смещений контура выработок в блочных массивах на основе прочностного и деформационного критериев 64
3.2.1 Обоснование коэффициента относительного деформирования блочного массива на контуре выработок 73
3.2.2 Классификация устойчивых обнажений апатито-нефелиновых руд по двум предельным состояниям 77
3.3 Прогноз напряженно-деформированного состояния трещиноватого массива вблизи одиночной выработки в условиях тектонических и гравитационных полей напряжений 79
3.3.1 Система с горизонтальными и пологими трещинами (угол падения 0 – 20о) 93
3.3.2 Система с крутопадающими и средней крутизны падения трещинами (угол падения 20 – 75о) 94
3.3.3 Система с вертикальными трещинами (угол падения 75 – 90о) 95
3.3.4 Сравнительный анализ значений тангенциальных напряжений на контуре выработки 95
3.3.5 Анализ зависимости тангенциальных напряжений и смещений нарушенного массива 98
3.4 Метод определения формы и размеров вывала при пересечении подготовительными выработками зон измененных апатито-нефелиновых руд 101
3.4.1 Определение зоны предельного состояния пород в окрестности одиночной подготовительной выработки. 112
3.4.2 Натурные данные о состоянии кровли и боков выработок в зоне ослабленных пород. 116
3.5 Выводы по главе 3 120
ГЛАВА 4 Направления практического использования результатов исследований 121
4.1 Пространственная геомеханической модели карьера «центральный» и двух участков горизонтов +450, +470 метров расвумчоррского рудника 121
4.1.1 Результаты расчета напряженного состояния горизонтов и породных целиков подкарьерной зоны 123
4.1.2 Анализ влияния нарушений массива на напряженное состояние 128
выработок горизонта +470 метров 128
4.2 Оценка устойчивости обнажений в соответствии с
разработанной методикой. рекомендации по выбору параметров крепи 131
4.3 Рекомендации по креплению выработок, пересекающих зоны измененных апатито-нефелиновых руд 137
4.4 Выводы по главе 4 142
Заключение 144
Список литературы 1
- Современные представления о блочных моделях массивов горных пород
- Структурно-тектонические особенности породного массива месторождения Плато Расвумчорр
- Прогноз смещений контура выработок в блочных массивах на основе прочностного и деформационного критериев
- Результаты расчета напряженного состояния горизонтов и породных целиков подкарьерной зоны
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Апатито-нефелиновые месторождения Кольского полуострова Плато Расвумчорр и Апатитовый цирк, разрабатываемые комбинированным открыто-подземным способом, имеют сложное структурное и тектоническое строение.
Учеными КНЦ РАН выполнено исследование строения массива и разработана подробная классификация блоковых структур, разрывов, а также крупных тектонических разломов месторождений, размеры которых достигают десятки километров и более. Вместе с тем, блочные массивы, размеры блоков которых на порядок меньше линейных размеров выработки, изучены недостаточно.
Одна из особенностей месторождений, входящих в Хибинский горный массив – наличие на всей площади зон измененных (окисленных) апатито-нефелиновых руд, характеризующихся слабыми прочностными свойствами относительно рудного тела. Проведение выработок через эти зоны сопровождается вывалами породы, образованием заколов, существенными водопритоками, а также другими формами проявления горного давления.
Значительный вклад в исследование геомеханических процессов в трещиноватых блочных средах внесли такие ученые, как К.В. Руппенейт, С.Н. Чернышев, А.А. Козырев, Г.Н. Кузнецов, Л.И. Слепян, С.Н. Савченко, И.А. Турчанинов, А.В. Ловчиков, И.Э. Семенова, И.В. Кириллов, З.Т. Бенявский, Д. Лобшир, Е.В. Кузьмин, Г.А. Марков, В.И. Иванов и другие.
Влиянию трещиноватости на механические свойства горных пород посвящены работы Б.Д. Зеленского, А.Н. Ставрогина, В. Виттке, М.В. Раца, В.Н. Славянова и других ученых.
Обеспечению устойчивости выработок, проводимых в прочных высоконапряженных массивах, посвящены работы А.А. Еременко, В.Л. Трушко, Э.В. Каспарьяна, Н.С. Булычева, Б.А. Картозии, Г.Г. Мирзаева, И.В. Баклашова, О.В. Ковалева, А.Г. Протосени, О.В. Тимофеева, М.В. Корнилкова, А.А. Баряха,
В.В. Зубкова, Ю.А. Кашникова, Ю.Н. Огородникова и других ученых.
Блочные массивы являются весьма сложными и недостаточно изученными геомеханическими объектами. Поэтому тему диссертационной работы, посвященной прогнозу устойчивости выработок в блочных рудных массивах, следует признать актуальной.
Цель работы: обеспечение устойчивости подготовительных выработок в блочных породных массивах при разработке апатито-нефелиновых месторождений.
Идея работы: прогноз устойчивости породных обнажений и обоснование параметров крепи выработок должны производиться с учетом геометрических размеров породных блоков и прочностных характеристик контактов между ними.
Основные задачи исследования:
проведение натурных наблюдений за устойчивостью выработок, пройденных вне зоны влияния очистных работ;
разработка численных конечно-элементных моделей блочного породного массива;
анализ напряженно-деформированного состояния массива в окрестности подготовительных выработок;
обоснование рациональных типов и параметров крепи при пересечении подготовительными выработками зон измененных апа-тито-нефелиновых руд.
Методы исследований. При выполнении работы использовалась комплексная методика, включающая анализ литературных источников, оценку блочности массива и натурные наблюдения за устойчивостью выработок Расвумчоррского рудника, разработку геомеханических моделей блочного массива, цифровую обработку материалов видеоэндоскопической съемки внутренней поверхности шпуров и скважин.
Научная новизна работы:
- выявлены закономерности формирования поля напряжений в ок
рестности подготовительных выработок с учетом влияния разме
ра блоков и угла падения основной системы трещин породно-
го массива;
предложен коэффициент относительного деформирования, позволяющий выполнить оценку смещений приконтурного массива в зависимости от параметров блочности;
выявлен скачкообразный характер деформирования породных блоков на поверхности обнажения, по границам их контактного взаимодействия.
Положения, выносимые на защиту:
-
Прогноз устойчивости подготовительных выработок в блочном трещиноватом массиве должен выполняться по первому и второму предельным состояниям, основанным на учете прочностного и деформационного критериев.
-
Величина и характер распределения тангенциальных напряжений в окрестности подготовительных выработок определяются, среди прочих факторов, величиной угла падения основной системы трещин, при этом крутопадающие и средней крутизны падения трещины оказывает более значимое влияние на распределение напряжений по сравнению с горизонтальными, пологими или вертикальными.
-
Формы и размеры вывалов при пересечении подготовительными выработками зон измененных апатито-нефелиновых руд с пониженными прочностными свойствами определяются напряжениями в массиве, а также геометрией блоков, смещение которых, образует новые трещины разрыва по контактам плоскостей ослабления.
Практическая значимость работы:
предложена методика прогноза устойчивости выработок в блочном массиве с использованием критериев первого и второго предельного состояния;
разработан метод оценки величины вывала при пересечении выработками зон измененных апатито-нефелиновых руд;
обоснованы рациональные типы и параметры крепи при пересечении выработками зон измененных апатито-нефелиновых руд.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается результатами натурных наблюдений за состоянием существующих породных обнажений в массиве, результатами испытаний физико-механических свойств образцов вмещающих пород, использованием современных методов механики сплошных и дискретных сред, численных моделей напряженно-деформированного состояния породного массива, а также сходимостью расчетных и натурных данных.
Апробация диссертации. Полученные результаты исследований были заслушаны на научных и практических конференциях: «Инновационное проектирование горных предприятий» (г. Санкт-Петербург, 2015 г.); «54th Students scientific session» (г. Краков, 2014 г.); Международный форум-конкурс молодых ученых «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2014 г.); Международная научно-практическая конференция «Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и их решения» (г. Воркута, 2013, 2014 гг.).
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований; выполнении экспериментальных натурных наблюдений с применением современного видеоэндоскопического оборудования и цифровой обработке результатов съемки; разработке плоских и пространственных конечно-элементных геомеханических моделей; создании и обосновании методики по прогнозированию устойчивости выработок в блочном массиве с использованием численного моделирования; разработке рекомендаций по обеспечению устойчивости и выбору рациональных типов крепи при пересечении выработками зон измененных апатито-нефелиновых руд.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 печатные работы, в изданиях, входящих в Перечень ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список литературы из 90 наименований, 89 рисунков и 25 таблиц.
Современные представления о блочных моделях массивов горных пород
Геометрическая классификация трещин не дает четкого представления о структурных особенностях горного массива. Следы сети трещин на плоскость являются лишь подосновой для их детального изучения.
Морфология трещин включает характеристики формы трещин, поверхностей стенок, заполнения, взаимопересечения, окончания следов трещин, изменения пристеночного слоя.
По форме выделяют трещины криволинейные, прямолинейные, волнистые. Геологи в некоторых случаях привязывают форму трещины к направлению ее простирания или падения. Например, трещина прямолинейная по простиранию и волнистая по падению. Плоскими называются трещины, которые имеют прямолинейную форму и по простиранию, и по падению.
По характеру поверхности стенок выделяют поверхности гладкие, беспорядочно шероховатые и текстурные. Текстуры стенок трещин делятся на три большие группы: 1. следы ряби, следы трещин усыхания, следы ударов дождевых капель, следы механического воздействия; 2. борозды, штрихи и зеркала скольжения; 3. зернистые текстуры. Определение конкретного типа текстур производится методом визуального наблюдения на основе записей, типовых фигур и накопленного опыта.
По характеру заполнения выделяются трещины открытые, закрытые, зияющие (т.е. в этом случае отсутствует контакт между берегами трещины на отдельном участке или на протяжении всей трещины) и с заполнителем. Заполнители могут быть кристаллическими, битуминозными или рыхлыми. Материал заполнителя имеет большое значение для решения прикладных задач геомеханики. Физико-механические свойства массива на контакте блоков оказывают сильное влияние на устойчивость и деформируемость контура горной выработки.
Пересекаются трещины, как правило, одним из указанных способов: 1. Без визуально наблюдаемого смещения; 2. Одна трещина заметно смещает другую; 3. Одна трещина резко заканчивается у другой, упирается в нее, но не пересекает; 4. Трещины могут вообще не пересекаться. Несколько обособленно от геометрической и морфологической классификации расположено такое свойство трещин, как их происхождение, или генезис. В литературе встречается множество классификаций трещин по генезису. Однако нет точной и достоверной процедуры, или четкого набора признаков по которым можно отнести происхождение интересной для исследователя трещиноватости к тому или другому типу.
В работе [6] по происхождению различают трещиноватость естественную и искусственную. Естественная трещиноватость горных пород связана с особенностями их образования и последующими изменениями, вызванными эндогенными и экзогенными процессами, а также выветриванием. Искусственная трещинова-тость формируется в результате влияния на породный массив взрывных работ при сооружении подземных выработок, либо является следствием хрупкого разрушения пород от напряжений, действующих вокруг образовавшейся выработки. При решении общих задач геомеханики, определение точного генезиса трещин может быть не столь важным. Массив, имеющий нарушения, интересен в большинстве случаев только своими физико-механическими свойствами и накопленными напряжениями. Однако во многих прикладных задачах точное значение генезиса играет важную роль, в особенности при изучении распределения трещин в пространстве или для исследования сейсмических областей. По другой известной генетической классификации все трещины следует разделить на два типа [7]: нетектонические и тектонические.
Нетектонические трещины главным образом возникают вблизи поверхности Земли в результате действия сил, связанных с экзогенными геологическими и антропогенными процессами, а также под действием переменной температуры, влажности, плотности пород. В большинстве случаев нетектонические трещины представлены трещинами отрыва – они имеют небольшую протяженность и характеризуются отсутствием устойчивых направлений, они не проникают на глубину более нескольких метров, имеют извилистые очертания, неровные, шероховатые стенки.
Тектонические трещины широко представлены в породах земной коры. Они возникают под действием напряжений, обусловленных тектоническими движениями земной коры. Появление тектонических трещин связано с образованием отдельных складок, разломов, а также с напряжениями, охватывающими огромные области земной коры, источник напряжений и их масштаб могут быть весьма различны в этом случае.
По своей сути, знание генезиса трещин не слишком пригодно для решения прикладных задач. Такие важные физические свойства массива, как проницаемость, деформируемость и ряд других не зависят от происхождения трещин, а определяются целым рядом других показателей, например, геометрией, условием взаимодействия на берегах, морфологией. Однако в практических целях, точное определение генезиса, позволяет определить точную взаимосвязь его с геометрическими и морфологическими закономерностями. Сведения о происхождении трещин позволяют при этом высказывать те или иные гипотезы о закономерностях их распределения в пространстве и на этой основе планировать дальнейшие действия [1].
Структурно-тектонические особенности породного массива месторождения Плато Расвумчорр
Целью исследований, рассмотренных в рамках данного раздела, является практическая оценка возможности применения сканера скважин малого диаметра компании DMT, в условиях Расвумчоррского рудника ОАО «Апатит». Возможности сканера, по мнению специалистов «Центра геомеханики и проблем горного производства» и компании ОАО «Фосагро», позволят сократить объем буровых работ при проведении оценки локальной удароопасности с помощью базового метода кернового бурения. Анализ результатов сканирования трещин на стенках скважин, а также визуализация трехмерной поверхности скважины с автоматическим распознаванием поверхностей ослабления при помощи специально разработанного программного обеспечения по своей сути достаточно близко к исследованию дискования керна.
Метод дискования керна (МДК) основан на способности к хрупкому разрушению, к которым относятся апатито-нефелиновые руды и вмещающие их породы, в результате этого при бурении скважин в высоконапряженном массиве керн разбивается на диски, при этом, чем больше величина действующих напряжений, тем тоньше диски.
Внутренняя нормативная документация предприятия ОАО «Апатит» допускает определять категорию удароопасности расчетным методом или по номограмме, представленной на рисунке 2.2 [45-47].
Расчетный показатель К1 определяется по формуле [46]: где LД - длина зоны дискования с установленной характеристической толщиной диска равной одному сантиметру; Dвыр - фактическая высота выработки. Расчетный показатель К2 определяется по формуле [46]: X Х К (2.3) D выр где Хmax - расстояние от контура выработки до максимума опорного давления; Xр - размер приконтурной зоны разрушенных пород; Dвыр - фактическая высота выработки.
Максимуму опорного давления соответствует середина полученного интервала с наибольшим выходом дисков. При одинаковых параметрах дискования, но различных прочностных свойствах породы, положение максимума опорного давления устанавливается в наиболее прочной разновидности пород и руд [46].
Существует две категории скважин: «Опасно» или «Неопасно». Основываются они на следующих условиях [46]: - категория «Опасно» в случае, если: Номограмма для определения категории удароопасности скважин по дискованию керна Извлечение керна выполняется из скважины через каждые 0,5 метра. Ско рость бурения не должна превышать 400-500 оборотов в минуту. Давление буро 47 вого става на забой должно поддерживаться постоянным и контролируется при помощи манометра. Выработка относится к категории «Опасно», ели в ней не менее чем в двух смежных скважинах, установлена соответствующая категория [45-47].
Горно-геологические характеристики выработок, в которых проводились замеры сканером скважин малого диаметра компании DMT, представлены в таблице 2.4. Таблица 2.4 – Горно-геологическая характеристика обследуемых выработок [48] № 12 3 Наименование выработки Участок Блок Горизонт Геологическая характеристика Откаточный Орт-1 6 1/6 + 470 Руды и породы по своим физико-механическим свойствам относятся к глубинным изверженным породам. Предел прочности при сжатии апатито-нефелиновых руд 90-160 МПа, уртита – 170 МПа, рисчоррит – 230 МПа. В ненарушенном массиве руды и породы среднетрещиноватые, устойчивые. Интенсивность трещиноватости 6-10 шт./пог.м.
Южный откаточный штрек-4 6 1/6 + 470 Интенсивность трещиноватости 15 шт./п.м. В массиве блока широко развита система трещин отдельности с простиранием на СВ и падением на ЮВ под углами 20-30о и система крутопадающих трещин северо-восточного простирания с падением на юго-восток или северо-запад под углами 60-80о .
Буродоста-вочный штрек-018 3 5/7 + 425 В интервале от 0-65 м от оси ВТО 2/5 на запад будет проходиться в окисленных зонах. Категория пород по прочности - IV, по трещиноватости - V, по устойчивости - III. На оставшемся участке до 100 м проходка будет идти в апатито-нефелиновых рудах. Категория пород по прочности – III-IV, по трещиноватости - III, по устойчивости - I. Продолжение таблицы 2. 4567 Заезд на южный транспортный штрек 3 - + 425 + 436 Прогнозная характеристика (100 м). Заезд на ЮТШ строился от оси ЮТШ на юг в интервале 0-50 м, далее на восток в интервале от 50-100 м в подстилающих породах уртитах. Категория пород по прочности - II, по трещиноватости - III, по устойчивости - I. Коэффициент крепости по шкале профессора Протодьяконова М.М. f=14-16.
Транспортный орт 1/7а 1 - + 450+ 452 Транспортрый орт 1/7а в интервале от 0-30 м на север от оси БДШ 11г пройден в апатито-нефелиновых рудах. Категория пород по прочности - III, по трещиноватости - III, по устойчивости- I. В интервале от 0-40 м на юг от оси БДШ 11апройден в подстилающих породах уртитах. Категория пород по прочности - II, по трещиноватости- III, по устойчивости - I. Интервалы 34-60 м, 72-92 м от оси БДШ 15 на север и интервалы 40-55м, 65-95 м от оси БДШ 15 на юг проходилась вокисленных зонах. Категория пород по прочности- IV, по трещиноватости - V, по устойчивости -III. На оставшейся длине на север и до 100 м наюг проходка велась в апатито-нефелиновых рудах. Категория пород по прочности - III-IV, потрещиноватости - III, по устойчивости - I.
Буродоста-вочный штрек 11г 1 5/7 + 450+ 452 Во время проходки БДШ 11г в интервале 15-20 м от оси транспортного орта 1/7а на восток располагалась окисленная зона. Категория пород по прочности - IV, по трещиноватости - V, по устойчивости - III. Интервал 15-55 м проходка велась в апатито-нефелиновых рудах, категория пород по прочности - III, по трещиноватости - III, по устойчивости - I. Интервал 55-80 м категория пород по прочности - III, по трещиноватости - IV, по устойчивости - II.
Подводящая к восстающему +470/+422 6 1/6 + 470+ 422 Подводящая к восстающему +470/+422 пройдена в подстилающих породах уртитах. Категория пород по прочности - II, по трещиноватости - III, по устойчивости - I. Выработки, описанные в таблице, проводились буровзрывным способом. Бока и кровля выработок закреплены набрызг-бетонной смесью, в трещиноватых зонах анкерной крепью. Толщина набрызг-бетонной крепи варьирует от 50 до75 мм. Выработки имеют арочную форму поперечного сечения. Высота выработок составляет 4-4,1 м, а ширина изменяется от 4,6 м до 5,1 м. Сканер скважин малого диаметра DMT является мобильным беспроводным устройством, которое позволяет определить важные механические параметры горных пород. Состоит из двух основных компонентов: электронный модуль и модуль с элементами питания (рисунок 2.3). В верхней части электронного модуля размещена высокочувствительная цифровая камера со светодиодной подсветкой (1). В нижней части электронного модуля имеются четыре окна (2) для обеспечения коммуникации в инфракрасном диапазоне и кольцо (3), включающее и выключающее работу устройства. Модуль питания содержит пробку с нарезанной резьбой для соединения с электронным модулем. На другом конце расположен открытый для одометра кабель (4). На модуле питания нарезана резьба диаметром 16 мм (5), для соединения с толкающей штангой.
Прогноз смещений контура выработок в блочных массивах на основе прочностного и деформационного критериев
Согласно эпюрам на рисунках 3.18-3.21, выполнен анализ влияния горизонтальных и пологих трещин на напряженно-деформированное состояние массива модели в окрестности одиночной подготовительной выработки.
В условиях действия гравитационного поля напряжений в массиве, субгоризонтальная трещиноватость не оказывает существенного влияния на распределение сжимающих напряжений в массиве вокруг одиночной выработки. Свод выработки разгружен, напряжения с кровли перераспределяются на бока выработки, создавая в них зоны концентраций.
Главные напряжения в массиве модели ориентируются в нормальном направлении к линии развития трещин. Это отличие хорошо видно при сравнении систем трещин А5.D100.T0.V, А5.D300.T0.V, А5.D500.T0.V с системой А0.D100.T0.V. В последнем случае направление действия сжимающих напряжений строго вертикально.
В условиях действия гравитационно-тектонического поля напряжений, влияние пологих и горизонтальных трещин более значимо. Главные напряжения в массиве модели в этом случае ориентированы соосно линии развития трещин (см. системы трещин А5.D100.T1.V, А5.D300.T1.V, А5.D500.T1.V) и отличаются от строго горизонтального направления действия в системе трещин А0.D100.T1.V. Гравитационно-тектоническое поле напряжений формирует в кровле и почве выработки максимальные напряжения, бока при этом разгружены и по периметру контура отсутствуют растягивающие напряжения.
Согласно эпюрам на рисунках 3.26-3.29, выполнен анализ влияния крутопадающих и средней крутизны падения трещин на напряженно-деформированное состояние массива модели в окрестности одиночной подготовительной выработки.
В условиях действия гравитационного поля, крутопадающие и средней крутизны падения трещины смещают зоны сжатия и разгрузки по периметру контура выработки. Этот эффект наблюдается на эпюрах систем трещин А30.D100.T0.V, А30.D300.T0.V, А30.D500.T0.V. В данном случае, аналогично системам с горизонтальными и пологими трещинами, главные напряжения ориентированы в направлении нормальном линии развития трещин. Растягивающие напряжения в массиве и по периметру породного обнажения во всех подобных случаях не наблюдаются.
В условиях действия гравитационно-тектонического поля напряжений, крутопадающие и средней крутизны падения трещины ориентируют главные напряжения (см. системы трещин А30.D100.T1.V, А30.D300.T1.V, А30.D500.T1.V) вдоль линии развития трещин. Однако, в отличие от систем с горизонтальными и пологими трещинами, ориентация главных напряжений имеет место только в окрестности породного обнажения. С увеличением глубины проведения выработок в системах трещин А30.D500.T1.G, А30.D500.T0.G наблюдаются участки концентрации сжимающих напряжений по поверхностям ослабления.
Установлено, что распределение напряжений в окрестности участков контактного взаимодействия берегов трещин происходит случайным образом и зависит от действующих напряжений в породном массиве и горно-геологических условий на месторождении [9,49,75].
С увеличением глубины проходки, также не замечено существенных отличий в характере действия напряжений. 3.3.3 Система с вертикальными трещинами (угол падения 75 – 90о) Согласно эпюрам на рисунках 3.26-3.29, выполнен анализ влияния вертикальных трещин на напряженно-деформированное состояние массива модели в окрестности одиночной подготовительной выработки.
В условиях действия гравитационного поля, вертикальные трещины ориентируют главные напряжения параллельно линии их развития. Распределение напряжений в приконтурном массиве, а также формирование зон сжатия и растяжения в этом случае происходит аналогично системе трещин А0.D100.T0.V (изотропный ненарушенный массив). Основной отличительной особенностью таких систем трещин является размер зоны разгрузки. На эпюре системы трещин А85.D100.T0.V отчетливо видно, что зона разгрузки фактически достигает границ фрагмента геомеханической модели. С увеличение глубины проведения выработок в системах трещин А85.D300.T0.V и А85.D500.T0.V происходит изменение размеров зоны разгрузки в сводовой части породного обнажения.
Действие гравитационно-тектонического поля оказывает незначительное влияние на напряженно-деформированное состояние породных массивов с верти кальными трещинами в окрестности одиночной выработки. Вертикальные трещи ны фактически не изменяют местоположение зон сжатия и растяжения по пери метру породного обнажения (см. системы трещин А85.D100.T1.V, А30.D300.T1.V, А30.D500.T1.V).
Результаты расчета напряженного состояния горизонтов и породных целиков подкарьерной зоны
Из анализа рисунка 3.33 видно, что трещины разрыва под номерами 3 и 4 имеют отрицательные значения раскрытия в нескольких точках. Трещина разрыва номер 5 имеет положительное раскрытие, следовательно, блоки плотно примыкают друг к другу по всей линии контакта.
Таким образом, породы кровли естественным образом отслаиваются от свода естественного равновесия по границам зияющих трещин разрыва и создают опасность образования вывала при незначительном изменении напряженно-деформированного состояния породного массива.
Следующий случай пересечения подготовительной выработкой зоны измененных апатито-нефелиновых руд и обозначением зоны вывала представлен на рис. 3.34.
Из анализа рисунка 3.34 видно, что потенциальные зоны вывала расположены в боках выработки. Линейные размеры зоны в горизонтальном направлении достигают 6 метров. Это справедливо в условиях действия мощного тектонического поля напряжений в массиве. Известно, что для условий разработки месторождения Плато Расвумчорр, тектонические напряжения в массиве значительно превышают напряжения от веса вышележащих пород.
На рисунке 3.35 приведены графики нормального раскрытия трещин разрыва для схемы зоны вывала №2 (рис.3.34). На графике показаны раскрытия трещин под номерами 1,2 и 3. Трещина №1 на рисунке состоит из двух участков. Разрыв в графике раскрытия трещины объясняется блочной структурой массива и принятой сеткой конечных элементов в геомеханической модели.
Рисунок 3.35 - График нормального раскрытия трещин разрыва №2 На графике (рисунок 3.35) видно, что раскрытие трещин под номерами 1 и 2 имеют отрицательные значения величиной до 1 мм. Трещина разрыва под номе ром 3 имеет положительное раскрытие, это говорит о плотном контакте между блоками. Таким образом, свод естественного равновесия образуется по границе трещины под номером 3, как видно из рисунка 3.34.
На рисунках 3.36-3.40 приведены еще два характерных случая пересечения выработкой зоны измененных апатито-нефелиновых руд и показаны зоны вывала, а также графики нормального раскрытия трещин разрыва.
Схема зоны вывала №3 с указанием расчетных смещений массива, м: 1,2,3,4 – номера трещин разрыва; А – зона измененных апатито-нефелиновых руд; В – апатито-нефелиновая руда Из анализа графика нормального раскрытия трещин разрыва №3 на рисунке 3.37, необходимо отметить небольшое раскрытие трещины разрыва под номером 4 в области контакта двух различных породных сред в точках с координатами по горизонтальной оси 22,1 метра и 25,8 метра соответственно. Подобные случаи не стоит принимать во внимание, поскольку на границах пород с различными прочностными характеристиками неизбежно возникают области высоких концентрации напряжений, что приводит к нехарактерному смещению породных блоков и раскрытию трещин. Наличие указанных участков не оказывает значительного влияния на параметры свода естественного равновесия, поэтому граница вывала определена по трещине разрыва №4.
Согласно классическому определению геомеханики, горные породы теряют свою несущую способность или перестают сопротивляться дальнейшему увеличению нагрузки, при определенном уровне действующих напряжений в массиве. В этом случае в окружающем горную выработку массиве, образуются области предельного состояния. Потеря несущей способности пород может происходить как в результате пластического течения, так и в результате хрупкого разрушения. В процессе разрушения изменяются значения прочностных характеристик породы в области предельного состояния: сцепление породы уменьшается, а угол внутреннего трения, как показывают экспериментальные исследования, остается практически равным углу внутреннего трения ненарушенной породы [59].
Зона предельного состояния определена в окрестности слоя измененных пород, представленного на рисунке 3.32. В качестве уравнения предельного равновесия принято уравнение прямолинейной огибающей кругов Мора. Из геометрии кругов напряжений и огибающей (общей касательной к этим кругам) получены следующие соотношения: предел прочности на одноосное сжатие
Построенная геомеханическая модель блочной среды выполнена в программном комплексе SIMULIA Abaqus 6.09. Физико-механические свойства вмещающего массива и пород из зоны измененных апатито-нефелиновых руд при построении модели приняты в соответствии с таблицей 3.7.
На эпюре распределения максимальных главных напряжений сильно заметно влияние зоны измененных апатито-нефелиновых руд, а также параметров блочности на распределение напряжений в массиве. Результаты расчета показали, что при существующих горно-геологических условиях подготовительная выработка теряет устойчивость в своде и боках. Из рисунка 3.42 видно, что разрушение пород кровли произошло путем отрыва по площадке ориентированной нормально к направлению действия растягивающих напряжений.
Результаты расчета зоны предельного состояния показаны в границах выделенного слоя измененных пород, цветом обозначены участки в окрестности выработки, где нарушено условие прочности (рисунок 3.44) [51,78].
Таким образом, область вывала, полученная методом, основанным на относительном перемещении блоков, образующих трещины разрыва, не превышает расчетной зоны предельного состояния породного массива, в зоне измененных апатито-нефелиновых руд.
Расчетная зона предельного состояния пород а – зона предельного состояния в слое измененных апатито-нефелиновых руд; б – зона предельного состояния в слое измененных апатито-нефелиновых руд в окрестности выработки совмещенная с сеткой конечных элементов