Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние прошжы. цель и задачи исследования 12
1.1. Обзор имеющихся результатов 12
1.2. Горногеологическая и горнотехническая характеристика Ткибули-Шаорского месторождения 28
1.2.1. Горногеологическое строение месторождения 28
1.2.2. Горнотехническая характеристика месторождения 38
1.3. Цель, задачи и структура работы 42
Глава 2. Разработка метода расчета напряжений пейвышке мощных угольных пластов 45
2.1. Выбор математической модели 45
2.2. Метод конечных элементов 62
2.2.1. Программа-.-ра^ёта на ЭВМ 62
2.2.2. Основные 'зависимости для библиотеки элементов и их алгоритмизация. 69
2.3. Метод граничных интегральных уравнений. 80
2.4. Задание граничных условий 87
Глава 3. Анализ напряженного состояния 104
3.1. Расчет напряжений в краевой части мощного пласта 105
3.3.1. Напряжения в краевой части при отработке пласта на полную мощность 105
3.1.2. Напряжения в.краевой части пласта при опережающей отработке защитного слоя 112
3.2. Расчет напряжений в междушахтном целике 116
3.2.1. Напряжения в сплошном целике 120
3.2.2. Напряжения в целике при отработке защитного слоя 121
3.2.3. Оценка устойчивости целика . 127
Глава 4. Расчет параметров защитного действия 133
4.1. Критерии защитного действия 133
4.2. Границы защитного действия 137
Глава 5. Практическое использование полученных результатов 147
5.1. Сопоставление результатов с шахтными данными 147
5.2. Практические рекомендации 156
Выводы 161
Заключение 163
Литература 168
Приложение I
- Горногеологическая и горнотехническая характеристика Ткибули-Шаорского месторождения
- Метод конечных элементов
- Расчет напряжений в междушахтном целике
- Границы защитного действия
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года, принятыми ХШ съездом КПСС, предусматривается в угольной промышленности обеспечить добычу угля в 1985 году в количестве 770-800 млн. тонн. При этом, наряду с открытой разработкой, будет осуществляться дальнейшее развитие подземной добычи угля, что неизбежно связано с возрастанием глубин разработок на действующих шахтах и освоением новых месторождений, расположенных, как правило, в сложных горно-геологических условиях. Это в свою очередь увеличит интенсивность горного давления и вероятность проявления горных ударов и внезапных выбросов угля, породы и газа.
Там, где вопросы управления горным давлением решаются недостаточно эффективно и несвоевременно, горняки сталкиваются с большими трудностями. Часто системы разработки, эффективные на малых глубинах, на больших становятся неэффективными. Неправильное или недостаточно полное решение вопросов управления горным давлением при этом вызывает не только технические трудности и удорожание производства, но и создает опасные условия труда для горняков. Известны различные проявления горного давления, но наиболее сильными и катастрофическими являются горные удары. В мировой практике известны случаи, когда в результате горного удара выходили из строя не только отдельные участки, но и предприятия в целом.
В СССР горные удары впервые отмечены в 1944 г. на шахтах Кизеловского угольного бассейна. Позднее они стали проявляться на шахтах Шурабского месторождения, в Кузбассе, Донбассе, на Су-чанском, Боркутинском, Ткибульском, Кызыл-Кийском месторождениях. Обнаружились признаки горных ударов в виде "стреляния пород" при
разработке некоторых месторождений - Криворожского, Таштаголь-ского, Коунрядского, Апатитового на Кольском полуострове и других.
Сдной из наиболее эффективных мер борьбы с горными ударами и выбросами является опережающая отработка защитных пластов, которая в настоящее время применяется на всех основных угольных месторождениях страны. Защитная выемка вызывает перераспределение напряжений на соседних пластах, в результате чего образуются зоны с повышенным и пониженным горным давлением. В зоне разгрузки можно выделить защищенную зону, которая непосредственно примыкает к очистной выработке и где, вследствие снижения горного давления, дальнейшие разработки не могут вызвать горные удары или выбросы.
К настоящему времени раскрыт механизм защитного действия пластов, разработаны способы расчета границ защитного действия пластов, определены основные схемы использования защитных пластов в свитах с учетом наиболее эффективного использования разгружающего действия защитных пластов в пределах шахтного поля или его отдельных участков. Однако вместе с тем следует отметить, что имеется целый ряд вопросов, требующих исследования и решения. Среди них использование защитных пластов для безопасной отработки мощных угольных пластов, расположенных в сложных горногеологических условиях, снижение потерь полезного ископаемого вследствие выемки удароопасных целиков, определение границ защищенных зон с одновременным учетом основных горногеологических и горнотехнических особенностей месторождения. Решение этих вопросов имеет большое народнохозяйственное и социальное значение. Трудности, возникающие при их решении, заключаются в том, что горный массив представляет собой сложный объект для исследований. Так, Ткибули-Шаорское месторождение, на примере которого проводились
исследования, имеет ряд особенностей, связанных со сложным рельефом земной поверхности, наличием значительного числа тектонических нарушений, большой мощностью отрабатываемого угольного пласта "Толстый" (в среднем 50 м), чередованием слоев различной прочности, наличием значительного бокового распора пород, большой глубиной ведения горных работ и другими факторами.
Условия отработки на этом месторождении по мере достижения глубины 500 м резко усложнились в связи с возникновением на этих глубинах горных ударов» При дальнейшем планировании работ на данном месторождении, в частности, при отработке Шаорской площади (глубина развития горных работ достигнет 1400 м) и для отработки удароопасного барьерного целика с размерами по простиранию 400 м и по падению 120 м, который образовался между шахтами им. Б.И.Ленина и "Восточная-2", необходимо провести соответствующий цикл исследований по оценке напряженного состояния массива и прогноза зон возникновения динамических явлений. Опираясь на эти исследования, надо выбрать оптимальные схемы отработки междушахтного целика, а также мощного пласта при проектировании развития горных работ. В основном этим вопросам и посвящается диссертационная работа.
Изучение свойств горных пород и распространение высокопроизводительных ЭВМ в практике исследований обусловили развитие и широкое применение современных численных методов в решении задач горной геомеханики. Наиболее распространенным для этих задач в настоящее время является метод конечных элементов (МКЭ). На данном этапе развития численных методов, при решении задач в плоской постановке, МКЭ имеет ряд существенных преимуществ перед другими численными методами.
Инструментом решения задач МКЭ служит программа или сово-
купность программ, реализующих на ЭВМ необходимые зависимости. В создании такого инструмента возможны два пути: разработка значительного числа проблемно-ориентированных программ, позволяющих решать отдельные проблемы, и создание одной программы с широкими возможностями.
Второй путь представляется более перспективным и эффективным, но и более трудоемким. Потребность в постоянном совершенствовании программного аппарата приводит к необходимости самостоятельной его разработки, так как возможности развития опубликованных программ обычно ограничены. Эти соображения привели к созданию программного комплекса, который в своей основе обладает широкими возможностями и позволяет учесть основные горногеологические и горнотехнические особенности месторождения. При этом достижение приемлемой точности осуществляется использованием элементов второго порядка (всего II типов элементов первого и второго порядка).
При подготовке расчетных схем необходимо учитывать следующие основные требования: в выбранном для расчета геологическом разрезе должны быть отражены наиболее характерные элементы геологического строения и горнотехнической обстановки, для которых выполняются условия плоской задачи; необходимо иметь физико-механические характеристики пород; должны быть заданы размеры расчетной области и установлены натурными наблюдениями условия на ее границах.
С учетом полученных экспериментальных данных и особенностей горногеологического строения был выбран наиболее характерный для Ткибули-Шаорского месторождения разрез. Для этого сечения были выполнены расчеты полей напряжений с использованием физико-механических свойств пород, определенных в натурных и лабораторных условиях.
Расчеты проводились: для оценки исходного напряженного состояния массива горных пород, существовавшего на рассматриваемом месторождении до его отработки; для определения характера распределения напряжений в междушахтном целике (в сплошном и на разных стадиях его отработки); для определения характера распределения напряжений в краевой части мощного пласта и в надработан-ном массиве при опережающей отработке защитного слоя.
диссертационная работа выполнена в рамках тематического плана ВНЙМ0 (шифр 0220600000) по теме "Создание теоретических основ механики и газогидродинамики массива горных пород применительно к совершенствованию способов прогноза и предотвращения динамических явлений".
Основная идея работы заключается в том, что адекватное реальным геомеханическим процессам описание напряженного состояния мощных пластов и закономерностей разгружающего действия при опережающей выемке защитных слоев достигается использованием усовершенствованного автором метода конечных элементов и учетом нелинейности процесса деформирования краевых и надработанных частей мощных пластов и целиков.
Цель работы состоит в создании метода расчета напряжений и границ защищенных зон при разработке удароопасных Мощных угольных пластов с учетом основных горногеологических и горнотехнических факторов.
Достижение поставленной цели осуществляется применением комплекса современных методов исследований, включающих систематизацию, анализ и обобщение данных шахтных и лабораторных наблюдений, полученных другими авторами; аналитические методы механики сплошных сред; методы вычислительной математики с использованием современных ЭВМ; сопоставление результатов исследований
с данными натурных наблюдений и практики горных работ.
Лично автором: развиты методы расчета нацряжений и границ защищенных зон для условий отработки мощных пластов; разработаны приемы и алгоритмы, позволяющие для достижения высокой точности при оптимальных затратах машинного времени использовать элементы вплоть до второго порядка при расчетах напряженно-деформированного состояния областей, имеющих сложную геометрию, значительную неоднородность и многочисленные зоны концентрации напряжений; проведен выбор оптимальных параметров опережающей отработки защитных слоев; выполнено геомеханическое обоснование и выбор рациональных схем отработки удароопасного барьерного целика*
Научную новизну исследований составляют следующие положения, которые выносятся на защиту:
разработан метод расчета напряжений и границ защищенных зон при выемке мощных угольных пластов, учитывающий основные горногеологические и горнотехнические факторы месторождения;
осуществлено усовершенствование метода конечных элементов, на базе которого разработан многоцелевой программный комплекс с широкими возможностями. Примененные в нем конечные элементы второго порядка существенно повышают точность получаемых результатов и позволяют решать задачи, недоступные при использовании элементов первого порядка;
уточнен критерий защитного действия при выемке мощных угольных пластов;
на основе разработанного метода выполнен анализ одновременного влияния на распределение напряжений в нетронутом массиве и в зоне влияния горных выработок, а также на положение и размеры защищенных зон при выемке мощных угольных пластов таких
факторов, как рельеф земнвй поверхности, глубина ведения горных работ, угол падения пласта, неоднородность строения массива горных пород, технология ведения очистных работ, конфигурация горных выработок, разупрочнение и изменение модуля упругости мощного угольного пласта.
Практическая ценность работы заключается в технологических решениях и рекомендациях по безопасной отработке мощных угольных пластов; в предложениях по выемке междушахтного целика Тки-були-Шаорского месторождения.
Достоверность научных положений, изложенных в диссертации, обеспечивается использованием надежных, широко апробированных методов механики горных пород; многочисленными (около 100) контрольными примерами; результатами сопоставления расчетных и экспериментальных (шахтных и лабораторных) данных (о размере зоны предельного состояния, о границах защищенной зоны, о деформации надработанного массива); промышленной апробацией основных положений и результатов выполненных исследований.
Основные результаты исследований использованы в "Методических указаниях по расчету напряжений и экспериментальной оценке газодинамического состояния пластов угля в зонах ПГД". ВНИМИ, Л., 1983, с. 17. Отдельные элементы разработанного программного комплекса включены в Государственный фонд алгоритмов и программ СССР. Разработанный метод использовался для определения напряженного состояния массива горных пород при отработке мощного угольного пласта "Толстый" е барьерного целика между шахтами им. В.И.Ленина и яВосточная-2и Ткибули-Шаорского месторождения. Экономический эффект от внедрения рекомендаций по результатам расчетов составил 128 тыс,рублей в год'. ^
Результаты исследований и основные положения диссертацион-
- II -
ной работы докладывались и получили одобрение на секции горных ударов и выбросов угля (породы) и газа Ученого совета ВНИМИ (Ленинград, 1982-1984), на Ш и ІУ Всесоюзных семинарах "Аналитические методы и применения ЭВМ в механике горных пород" (Новосибирск, 1980, 1982), на Всесоюзном симпозиуме по численным и аналитическим методам определения напряженно-деформированного состояния горных массивов в задачах геофизики и геомеханики (Тбилиси, 1982), на її Всесоюзной научной конференции по механике подземных сооружений (Тула, 1982), на научном семинаре по тор-ной геофизике (Сухуми, 1983), на семинаре по механике деформируемого твердого тела (ЛГУ, Ленинград, 1984), на расширенном заседании отдела вычислительной геофизики Института Геофизики АН ГССР (Тбилиси, 1984). По результатам исследований опубликовано 7 печатных работ.
Автор выражает глубокую благодарность члену корреспонденту, профессору, доктору физико-математических наук Алексидзе М.А., профессору, доктору технических наук Петухову Й.М. и кандидату технических наук Юфину С.А. за внимание к работе и систематическую помощь в процессе ее выполнения.
Автор признателен кандидатам технических наук Гелашвили Г.М., Зубковой И.А., Работе Э.Н., Сидорову B.C., Филинкову А.А. за поддержку при решении вопросов как организационного, так и исследовательского характера, а также за любезно уделенное время для консультаций.
Горногеологическая и горнотехническая характеристика Ткибули-Шаорского месторождения
Ткибули-Шаорское месторождение является одним из сложных угольных месторождений страны, разработка которого связана со значительными трудностями. Мощный пласт угля залегает на большой глубине, является опасным по взрыву газа и угольной пыли и характеризуется высокой склонностью к самовозгоранию. Начиная с глубины 500 м разработка месторождения еще более осложнилась в связи с проявлением на этих глубинах динамических явлений, обусловленных высокими упругими свойствами угля, наличием тектонического силового поля, превышающего гравитационное поле, и сейсмической активностью месторождения [18] . С тем, чтобы дать отчетливое представление об особенностях месторождения, которые должны приниматься во внимание при схематизации задач и требуют достаточно сложных вычислительных схем, ниже приводится краткая характеристика его горногеологического и горнотехнического условий.
Ткибули-Шаорское каменноугольное месторождение расположено в 40-50 км к северо-востоку от крупного промышленного центра Грузинской ССР - г.Кутаиси, на территории Кабульского и Амбро-лаурского административных районов. Общая площадь месторождения составляет 25 тыс.кв.м, на которой условно выделяются две продуктивные площади: Ткибульская котловина, представляющая собственно Ткибульское месторождение, и Шаорская платообразная возвышенность, представляющая Шаорскую угленосную площадь (рис. I.I),
Район месторождения представляет сильно пересеченную мест несть. Его главной орографической особенностью является Наке-ральский хребет, с абсолютными отметками 1000-1500 м, с трех сторон окаймляющий Ткибульскую котловину. Со стороны г.Ткибули хребет образует карнизы высотой 200 м, сложенные известняками. В центральной части Шорской возвышенности протекает река Шаора, на базе которой создано Шаорское водохранилище.Ткибульская угленосная площадь делится на Западный, Восточный и Юго-Восточный участки, разрабатываемые соответственно шахтами "Западная", им. В.И.Ленина и им. С.Орджоникидзе, Шаорс-кая угленосная площадь делится на три участка: Южный, Центральный и Северный. На Центральном участке расположены поля шахты "Восточная-2" и строющейся шахты "Западная-2". В перспективе намечается освоение и остальных участков Шаорской угленосной площади, общие запасы которой составляют около 600 млн.тонн каменного угля.
В геологическом строении месторождение сложено породами юрского, мелового и четвертичного возрастов [19, 20] . Сводный стратиграфический разрез района представлен на рис. 1.2. В основании разреза залегают отложения среднеюрской системы, представленные чередованием порфиритов, туфопесчаников и туфо-брегчий общей мощностью 2500 м, получивших название порфиритовой свиты байоса.
Отложения байоса сменяются свитой листоватых сланцев, условно отнесенных к батскому ярусу и представленных аргиллитами и микрослоистыми алевролитами. Над свитой листоватых сланцев залегает угленосная свита, которая делится на три горизонта: нижние песчаники, собственно угольная толща и верхние песчаники.
Нижние песчаники представлены средне-, крупно- и грубозернистыми песчаниками с прослоями алевролитов и аргиллитов, общаямощность которых достигает 300 м. В средней части горизона залегают угольные пласта "Банный" и "Алексеевский", мощность которых местами достигает 2-2,5 м и которые выклиниваются в сторону Шаорской площади.
Угольная толща в пределах месторождения носит также название пласта "Толстого" и образует две угольные залежи - Западную и Восточную, разделенные безутольным промежуточным участком со следами древнего размыва в кровле "нижних песчаников". В свою очередь Восточный участок делится на Восточный-1, Восточный-2, Юго-Восточный и Шаорскую площадь (рис. I.I). На Восточном-1 и Западном участках пласт "Толстый" выходит на поверхность. На участке Восточный-2 и Шаорской площади угольная толща погребена под пестроцветными отложениями юры и карбонатными образованиями вела общей мощностью от 600 до 1700 м.
Пласт "Толстый" имеет сложное строение, состоит из большего числа невыдержанных по мощности и чередующихся между собой в разрезе пачек гумусовых и липтобиолитовых углей, углистых и углисто-глинистых сланцев, аргиллитов, алевролитов и песчаников мощностью от одного сантиметра до 6-8 метров. Общая его мощность измеряется от 0 до 80 м, составляя в среднем 30-40 м. При этом на долю полезной угольной массы приходистся 50-60$ всей мощности на разрабатываемых в настоящее время участках и около 30$ - на Шаорской площади.
Пачки, сложенные углями и углистыми сланцами, разделенные прослоями аргиллитов, алевролитов и песчано-глинистых пород, на месторождениях условно называются пластами, На Восточном и Юго-Восточном участках выделяют восемь пластов: I, П, 7/4 (семичет-вертовый), 0,90, III, 0,90 бис, ІУ и У. На Западном участке выделяют девять пластов: I, П, 0,90, III, 1,5 саж, ІУ, У, УІ и УІІ. включительно. Остальные пласты отделены от пласта "Толстого" комплексом пород и имеют самостоятельное залегание. Во многих случаях пласты I и У размыты и выклиниваются. На Ьосточном и Юго-Восточном участках рабочими пластами являются І, П, 7/4, III, ІУ и У (на шахте им. С.Орджоникидзе). На Западном участке рабочими пластами являются І, П, ІУ и УІ. Дяасты 0,9 и 0,9 бис представлены липтобиолитовыми углями и не разрабатываются. Суммарная мощность всех разрабатываемых пластов изменяется от 17 до 33 м. В таблице IЛ приводятся средние значения общей и полезной мощностей угольных пластов на полях действующих шахт [62І.
Верхние песчаники мощностью до 130 м венчают разрез угле?-носной свиты и вместе с тем отдела средней юры. По своему лито-логическому составу этот горизонт мало отличается от нижних песчаников. В нижней части он представлен грубозернистыми разностями песчаников. Вверх по разрезу соотношение пород постепенно изменяется в пользу более мелкозернистых песчаников. На верхних песчаниках с угловым несогласием залегают отложения верхней юры, известные под местным названием "Пестроцветной свиты". Ее нижняя часть представлена горизонтом глин монтмерилло-нитового состава с включением обломков доломитов и известняков, с прослоями конгломератов и мергелей. Выше залегает мощная пес-чано-конгломератовая толща, сложенная мелкозернистыми песчаниками, алевролитами и прослоями глин, конгломератами и аркозово-кварцевыми песчаниками. Пестроцветная свита перекрывается меловыми отложениями, представленными в основном сильно закарство-ванными известняками, которыми и сложены карнизы горных хребтов.
Метод конечных элементов
Теоретические основы метода конечных элементов (МКЭ) разработаны к настоящему времени достаточно полно, имеется значительный опыт его практической реализации на ЭВМ при решении разнообразных задач, поэтому содержание настоящей главы составляют положения и зависимости, непосредственно использованные автором при решении поставленных задач.
Инструментом решения задач с использованием МКЭ является программа или совокупность программ, реализующих на ЭВМ необходимые зависимости. Прямое использование существующих программ ограничивается либо неконкретностью их публикаций и сложностью постановки на доступных автору ЭВМ, либо непригодностью к решению поставленных задач. Чтобы обладать надежной базой для постоянного совершенствования и повышения уровня решаемых задач, автор принял участие в разработке сложного программного обеспечения МКЭ.
В МИСИ им. В.В.Куйбышева группой под руководством доцента, канд.техн.наук С.А.Юфина разрабатывается и эксплуатируется программный комплекс " 5TATAS ", предназначенный для решения широкого класса задач при проектировании, исследовании и строительстве подземных и других сооружений.
Б рамках действия договора на 1978-1980 гг. о научно-техническом сотрудничестве между ВЦ АН ГССР им. Н.И.Мусхешвили, МИСИ им. В.В.Куйбышева и Грузнисшм. опорным пунктом ЕНИМИ, а также договора на І98І-І983 гг. о научно-техническом сотрудничестве между Институтом Геофизики АН ГССР, МИСИ им. В.В.Куйбышева и ВНИМИ автор принимал активное участие в разработке блоков этого программного комплекса и его практической реализации при решении конкретных задач.
Комплекс программ ориентирован на использовании с ОС ЕС ЭВМ на моделях ЕС-І040 и выше и других высокопроизводительных ЭВМ, но в сокращенном виде может использоваться на ЭШ меньшей производительности. Комплекс имеет блочно-модульную структуру, допускающую компактную оверлейную композицию при реализации на ЭШ. Входной язык комплекса - ФОРТРАН-ІУ. Основой комплекса являются блоки библиотеки элементов и блок, осуществляющий сборку и решение основной системы уравнений. При решении системы используется модификация метода Гаусса, являющаяся ускоренным и усовершенствованным вариантом алгоритма, использованного в работе [зі] . При формировании и решении системы уравнений эффективно используется оперативная память ЭШ при экономичных обращениях к накопителям на магнитных дисках. Возможности комплекса по параметрам расчетных;_схем ограничиваются лишь доступным временем счета одного варианта задачи, т.е. даже на скромных по характеристикам ЭШ могут быть рассчитаны системы с тысячами неизвестных. Конкретные версии для данного типа ЭШ подготавливаются в соответствии с параметрами планируемых задач и доступным объемом оперативной памяти ЭВМ. Версия, использованная в работе, допускала при двумерных задачах расчет схем, содержащих 2000 узловых точек и 2000 элементов. Комплекс предполагает формализованное представление исходной информации и наделен значительным количеством сервисных подпрограмм, осуществляющих ввод/вывод и генерацию исходных данных, формальный логический и топологический анализ подготовленной к расчету информации и, при необходимости, оптимизацию расчетных схем по времени счета.
Блок-схема используемой в работе версии комплекса "STATAS-2DE- приведена на рис. 2.4. Здесь блоки EISTIF и STRESS включают подпрограммы, формирующие матрицы жесткости элементов и тензоры напряжения по величинам перемещений, полученных при решении основной системы уравнений блоком &AUSS . Блок INDATA производит ввод, генерацию, анализ и оптимизацию исходной информации. Кроме того, подпрограммы блока IOATA позволяют выполнять редактирование массивов данных как при отладке расчетных схем, так и между отдельными этапами решаемой задачи (т.е. при учете поэтапности раскрытия сечения выработки, возведения сооружений и т.п.), осуществляют формирование банка данных и архивов промежуточных результатов при ветвящихся схемах решения, оптимизируют нумерацию узловых точек элементов и подготавливают соответствующие массивы информации к расчетному этап этапу работы программы. Более подробно", но несколько устаревшее описание комплекса содержится в работе [ііб] .
Сформулированные задачи настоящей работы требуют аналитического рассмотрения сложных в геометрическом и инженерно-геологическом отношении областей горных массивов с учетом последовательных изменений в сечениях выработок. Задачи решаются в двумерной постановке. Необходимая подробность и точность результа тов исследований, особенно в многочисленных зонах концентраций напряжений при большой протяженности рассматриваемых областей и их сложном строении, не позволяет получать экономичного решения при использовании простейших типов элементов (например, треу-угольных симплекс-элементов).
На основании литературных данных зз] , а также опыта решения задач гидротехнического строительства в МИСИ, нами сформулированы основные принципы построения расчетных схем для задач сложной в геометрическом отношении при резких градиентах напряжений в неоднородном массиве. При этом используется возможность сборки в рамках МКЭ различных типов элементов в одной расчетной области и дальнейшего совместного расчета такой системы. За основу взято "Серендипово" семейство четырехугольных изопараметрических элементов [ЗЗ, 124] . Термин "изопарамет-рический" отражает то обстоятельство, что в этих элементах одни и те же интерполирующие функции используются для выражения формы элемента и перемещений в пределах элемента. Под порядком элемента" будем понимать порядок математических функций, аппроксимирующих геометрические параметры элемента и закон изменения неизвестных в пределах элемента. В рамках разработанной концепции, являвшейся основополагающей при построении программного комплекса "STATAS ", основным и наиболее, употребимым в расчетах является "линейный" четырехугольный изопараметрический элемент первого порядка. Зоны концентраций напряжений представляются элементами второго порядка, имея ввиду, что для большинства инженерных задач аппроксимация распределения напряжений в зоне их концентрации функциями второго порядка является достаточной по точности. При необходимости, возможно дальнейшее повышение порядка применяемых элементов, что, однако, не применялось
Расчет напряжений в междушахтном целике
Динамические формы проявления горного давления на Ткибули-Шаорском месторождении обусловлены интенсификацией горных работ на шахтах, которая в условиях гористого рельефа земной поверхности приводит к быстрому росту глубины разработки. Это в свою очередь способствует возникновению дополнительных напряжений, что и является причиной возникновения на отдельных участках шахт удароопасных ситуаций. Так, причиной для такого рода ситуаций явилась сложившаяся горнотехническая обстановка на шахте "Восточная-2" (рис. 3.6).
Согласно утвержденному техническому проекту, разработанного; институтом "Грузгипрошахт" в 1955 году, между шахтами им. В.й.Ленина и "Восточная-2" предусматривалось оставление барьерного целика вертикальной высотой 25 м. Однако принятые в проекте размеры целика согласно "Инструкции..." Q36] и "рекомен дации..." [90І не обеспечивали безопасных условий работы и могли стать причиной возникновения горных ударов у границ целика.Рис. 3.6. Вертикальный разрез по центральному скату гор. 175-275 м шахты "Восточная-2"
С целью разработки рекомендаций по безопасной и одновременной работе указанных шахт у границ целика ВНИМй провел расчет размеров междушахтного целика. В частности, на разрезе вкрест простирания наклонная длина целика предлагалась равной 190 м. Но так как верхней границей шахты "Восточная-2" является горизонт 275 м, то в условиях оставления междушахтного целика указанных размеров шахта им. В.й.Ленина была не в состоянии вести добычные работы до проектной отметки (355 м), так как граница предполагаемого целика в этом случае должна была проходить по отметке 410 м, т.е. на 55 м выше действующего откаточного горизонта шахты им. В.й.Ленина. В результате должен был резко сократиться срок эксплуатации шахты им. В.И.Ленина, ja потеря запасов угля составила бы около 9 млн.тонн.
В 1973 г. шахта "Восточная-2" была сдана в эксплуатацию и до ее консервации в 1975 г. отработала пласт "Толстый" на верхнем подэтаже гор. +240 м - +275 м, расположенного на 80 м по вертикали ниже горизонта +355 м, являющегося границей по падению шахтного поля ш. Ткибульская им. В.Й.Ленина (рис. 3.6).
Длина выработанного пространства по простиранию составляет 400 м и оно расположено по падению ниже очистных работ на выемочных полях Ш 5, 7 и 9 горизонта +455 м - +355 м шахты Тки-бульская им. В.И.Ленина.
Утвержденное приказом МУЛ СССР Л 231 от 02,06.74 г. решение, согласно которому не предусматривалось дальнейшее развитие очистных работ от действующих выемочных полей по простиранию шахты "Восточная-2" до подхода очистных работ по падению со стороны шахты им. В.И.Ленина, ограничивало вынужденное оставление целика в пределах выработанного к этому времени пространства. с другой стороны, по времени работ запасы угля на действующих выемочных полях шахты "Восточная-2" в пределах подэтажа 240-275 м планировалось отрабатывать до развития очистных работ на шахте им. Б.И.Ленина ниже горизонта 410 м. Поэтому одновременная работа шахт у границ оставляемого целика исключалась.
С учетом создавшихся горнотехнических условий БНЙМИ совместно с ИШ АН Грузинской ССР выполнил оценку напряженного состояния оставляемого целика, размер которого составил 120 м по падению. Верхней границей междушахтного угольного целика служит выработанное пространство до горизонта +355 м шахты им. В.И.Ленина в районе выемочных полей №№5, 7 и 9. С запада целик оконтурен горными работами гор. +350 и - +275 м шахты "Восточная-2". Со стороны падения целик оконтурен выработанным пространством гор. +240 м - +275 м шахты "Восточная-2", а с востока - нетронутым массивом угля. Наклонная высота целика в указанных границах составляет 120 м, а длина по простиранию 400 м, глубина 92(5г1000 м.
В этих условиях на целик со стороны восстания и падения накладываются повышенные нагрузки опорного давления от очистных выработок шахт им. В.И.Ленина и "Восточная-2". Для прогноза ожидаемого напряженного состояния в связи с развитием горных работ в пределах целика необходим предрасчет напряжений с учетом принятого порядка и параметров отработки целика. С этой целью применялись численные методы расчета напряженного состояния массива горных пород (см. подразделы 2.2; 2.3),3.2.1. Напряжения в сплошном целике
Результаты расчета нормальных к напластованию напряжений в целике после отработки пласта "Толстый" выше гор. +355 м шахтой им. В.И.Ленина и отработанного шахтой "Восточная-2" ниже гор. i_275 м представлены в изобарах на рис. 3.7.
Из рассмотрения рис. 3.7 следует, что наибольшие значения напряжений приурочены к верхней части целика вблизи границы с выработанным пространством шахты им. В.И.Ленина гор. +355 м по падению от верхней границы целика, где экспериментально установлено положение точки максимума опорного давления, расчетная величина напряжений составляет 90 МШ, т.е. коэффициент концентрации по сравнению с нетронутым массивом пласта для этой глубины разработки составляет 2,5. Ниже 20 м нагрузки на целик уменьшаются практически до линейной зависимости и вблизи нижней границы целика составляют - 15 МПа.Проведенные расчеты для сплошного целика представляют интерес не столько сами по себе, сколько в сопоставлении с данными о целике при отработке его с подкровельным слоем и с оценкой удароопасности. Соответствующие сопоставления проводятся в двух следующих пунктах.
Границы защитного действия
Как было отмечено в предыдущем параграфе, при отработке мощных угольных пластов критерий защитного действия для очистных выработок отличается от критерия защитного действия для подготовительных выработок. Это отличие заключается в том,что для очистных выработок критерий определяется по нормальным к напластованию напряжениям, а для подготовительных выработок он определяется максимальными по модулю главными напряжениями. На рис. 4.1 приводятся размеры границ защищенных зон на разрезе вкрест простирания, определенные по нормальным к напластованию напряжениям, а на рис. 4.2 границы защищенных зон, определенные по максимальным по модулю главным напряжениям. Линии I соответствуют границам защищенных зон на разрезе вкрест простирания без учета нелинейности процесса разгрузки в надработанном пласте, а линии 2 соответствуют границам защищенных зон с учетом изменения модуля упругости в надработанном пласте.
Из этих рисунков видно, что при использовании метода последовательных приближений (рассмотренных в главе 3) для определения значений напряжений в надработанном массиве размеры защищенных зон на разрезе вкрест простирания увеличиваются и приближаются к экспериментальным данным.
Из рис. 4.1, 4.2 следует, что согласно расчетам угол между плоскостью защитного пласта и границей защищенной зоны составляет: для очистных выработок - 60, а для подготовительных выработок - 55. Этот угол значительно превышает максимальное значение угла падения с(/ = 40 и, следовательно, при нисходящем порядке отработки любые выработки в пределах данного этажа находятся в защищенной зоне.
Рассмотренные выше границы защитного действия определялись для разреза вкрестпростирания. В то же время в данной работе рассчитаны величины минимальных опережений по простиранию для обеспечения безопасной отработки мощного пласта и междушахтного целика, исходя из решения пространственной задачи в плоскости защитного пласта при различных расстояниях по нормали между защитным пластом (слоем) и следующим, подлежащим выемке, пластом (слоем).
Рассчитанные величины минимальных опережений превышают значения, рекомендуемые инструктивными документами. В табл. 4.1 представлены значения минимальных опережений по простиранию при опережающей выемке подкровельного слоя в целике, расположенном между шахтами им. В.И.Ленина и "Восточная-2" Ткибули-Шаорского месторождения. Длина целика по простиранию составляет 400 м (рис. 4.3). Значения защитных параметров определялись в плоскости нижележащих шйстов на расстоянии 20 и 40 м по нормали к напластованию.
Определение границ защищенных зон по простиранию является необходимым при ведении очистных работ с гидрозакладкой (восходящий порядок отработки), а также при проведении подготовительной выработки на значительном удалении от защитного пласта.
Для оценки достоверности расчетных значений границ защищенных зон рассмотрим некоторые случаи горных ударов, происшедших на Ткибули-Шаорском месторождении.
Один из них проявился в сентябре 1973 г. на шахте "Восточная-2" [4lJ на глубине І000-ІІ00 м одновременно в вентиляционном и конвейерном штреках гор. 275 и 240 м поля 2 на расстоянии 10-20 м впереди забоя лавы и в самом очистном забое пл.П (рис. 4.4). Горный удар сопровождался сильным звуковым эффектом, сотрясением массива и образованием пыли. Почва вентиляционного штрека гор. 275 м поднята на высоту от 0,5 м до 1,5 м, конвейер опрокинут. Такой же характер нарушений зафиксирован в конвейерном штреке гор. 240 м. В очистном забое между указанными штреками в нижней его части на расстоянии 4г-Ъ м по восстанию от магазинного уступа произошло разрушение угля, обрушение пород кровли и поднятие почвы на 0,5 м. Сейсмостанциями "Ткибули11 и "Они" в момент горного удара зафиксировано землетрясение.
В феврале 1967 г. на шахте им. В.И.Ленина на глубине 660 м в квершлаге Л 15 гор. 135 м, 165 м - 200 м произошел горный удар (рис. 4.5). Очистные работы производились по пластам П и 7/4 на первом подэтаже (гор. 106 м - 135 м). На втором и третьем подэтажах производились лишь подготовительные работы. Квершлаги находились вне зоны влияния очистных райот. Цроизводилось крепление квершлага гор. -165 м. В квершлагах в пределах пластов в результате горного удара полностью была разрушена деревянная крепь. Почва поднялась на 0,7 м.Из приведенных случаев проявления горных ударов, являющихся характерными для Ткибули-Шаорского месторождения, видно, что в подготовительных выработках удары происходят в основном впереди очистного забоя, т.е. в зоне опорного давления за преде
Похожие диссертации на Разработка метода расчета напряжений и границ защищенных зон при выемке мощных угольных пластов
