Содержание к диссертации
Введение
Анализ способов и средств управления состоянием массива горных пород при совместной открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых 10
1.1. Обзор комбинированных технологий отработки месторождений полезных ископаемых открытым и подземным способами 10
1.2. Анализ способов и средств управления состоянием массива горных пород при комбинированной отработке месторождений полезных ископаемых открытым и подземным способами 16
1.3. Исследование методов прогноза геомеханических параметров совместной отработки угольных пластов открытым и подземным способами 26
1.4. Выводы, цель и задачи исследований 30
Разработка методики расчета геомеханических параметров массива горных пород при совместной отработке свиты угольных пластов открытым и подземным способами 33
2.1. Постановка задачи и методика формирования исходных данных. 33
2.2. Разработка методики расчета сдвижения горных пород при совместной отработке свиты угольных пластов открытым и подземным способами 39
2.3. Разработка методики расчета устойчивости природных и техногенных массивов горных пород 47
2.4. Методика лабораторных и натурных исследований закономерностей геомеханических процессов при открытой и подземной разработке угольных месторождений 52
Выводы 59
Лабораторные и аналитические исследования на физической модели геомеханических процессов при взаимном влиянии открытых и под земных горных выработок 61
3.1. Исходные данные и программа исследований 61
3.2. Лабораторные и аналитические исследования на физической модели влияния открытых выработок на деформации подземных выработок 66
3.2.1. Конструкция стенда и методика физического моделирования 66
3.2.2. Настройка параметров математической модели по результатам физического моделирования 71
3.2.3. Результаты лабораторных и аналитических исследований на физической модели влияния открытых выработок на деформации подземных выработок 74
3.3. Лабораторные и аналитические исследования на физической модели влияния подземных выработок на деформации контура траншеи 85
Выводы 89
Исследование влияния основных горногеологических и горнотехнических факторов на геомеханические параметры углепородного массива при совместной отработке свиты пластов открытым и подземным способами 91
4.1. Характеристика геомеханических параметров углепородно-го массива при совместной отработке свиты пластов открытым и подземным способами 91
4.2. Исследование влияния горнотехнических факторов на геомеханические параметры углепородного массива при комбинированной отработке свиты угольных пластов 100
4.3. Исследование влияния горногеологических факторов на геомеханические параметры углепородного массива при комбинированной отработке свиты угольных пластов 114
Выводы 120
Разработка методики расчета и обоснование геомеханических параметров совместной отработки угольных пластов открытым и подземным способами 124
5.1. Разработка структуры и основных положений методики расчета геомеханических параметров комбинированной технологии угледобычи 124
5.2. Обоснование геомеханических параметров открыто - подземной отработки свиты угольных пластов 128
5.2.1. Характеристика экспериментального участка 129
5.2.2. Обоснование геомеханических параметров открыто-подземного гидроучастка разреза «Кедровский» 134
5.2.2.1. Подготовка исходных данных 135
5.2.2.2. Расчет деформаций и напряжений массива горных пород 136
5.2.2.3. Анализ напряженно-деформированного состояния массива горных пород 144
5.2.2.4. Определение максимального угла наклона бортов, откосов, уступов и отвалов разрезов в зоне влияния подземных горных выработок... 148
5.2.2.5. Определение минимальных размеров барьерных и предохранительных целиков 149
5.2.2.6. Оценка устойчивости горных выработок 151
Выводы 153
Заключение 155
Литература 158
- Анализ способов и средств управления состоянием массива горных пород при комбинированной отработке месторождений полезных ископаемых открытым и подземным способами
- Разработка методики расчета сдвижения горных пород при совместной отработке свиты угольных пластов открытым и подземным способами
- Результаты лабораторных и аналитических исследований на физической модели влияния открытых выработок на деформации подземных выработок
- Исследование влияния горнотехнических факторов на геомеханические параметры углепородного массива при комбинированной отработке свиты угольных пластов
Введение к работе
Реструктуризация угольной отрасли поставила перед наукой и практикой новые задачи, одной из которых является поиск внутренних резервов с максимальным использованием основных фондов действующего производства. При отсутствии в настоящее время больших инвестиций на строительство новых и реконструкцию действующих горных предприятий перспективной является технология подземной разработки угольных пластов в приконтурнои зоне разрезов на участках, где коэффициент вскрыши превышает предельный, а запасы угля только в Кузбассе превышают 450 млн.т. Отработка этих запасов позволит сократить первоначальные затраты и срок их окупаемости за счет частичного использования инфраструктуры разрезов шахтами, и предотвратить снижение объемов угледобычи до появления крупных инвестиций.
Расширение области применения подземной технологии разработки свиты угольных пластов в приконтурнои зоне разрезов сдерживается отсутствием научных разработок, нормативной и методической документации, необходимых для определения параметров вскрытия и подготовки угольных пластов. Недостаточно изучены процессы активизации сдвижений горных пород при подземной разработке свиты угольных пластов в приконтурнои зоне разрезов, отсутствуют методики обоснования геомеханических параметров систем подземной разработки и поддержания подземных горных выработок, надрабаты-ваемых открытыми горными работами. Отсутствие научно обоснованных рекомендаций для прогноза параметров подземной технологии не позволяет разработать проекты развития горных работ, обеспечивающих эффективное и безопасное ведение подземных горных работ в приконтурнои зоне разрезов в широком диапазоне горно-геологических условий.
Исследования, направленные на изучение геомеханических процессов при разработке свиты угольных пластов по традиционным и комбинированным технологиям, проводят научные коллективы ВНИМИ, ИГД им. А.А. Скочин-
ского, ИФЗ РАН, Институт угля и углехимии СО РАН, ИГД СО РАН, ВНИИ-гидроуголь, КузНИУИ, МГГУ, С-ПбГИ, КузГТУ, СибГИУ и многих других организаций. Однако результаты этих исследований не полностью обеспечивают эффективность и безопасность одновременной разработки угольных пластов в приконтурной зоне разрезов открытым и подземным способами.
Все изложенное указывает на актуальность решения задачи обоснования геомеханических параметров технологии подземной разработки угольных пластов в приконтурной зоне разрезов, реализация которой позволит продлить период эксплуатации угольных месторождений без больших дополнительных инвестиций, что имеет существенное значение для повышения эффективности угольной промышленности России на современном этапе её реструктуризации.
Диссертационная работа выполнялась в рамках научных исследований по планам НИР: института «ВНИИгидроуголь»; ОАО «Компания «Северокузбасс-уголь»; отраслевой научно-технической программы Минтопэнерго РФ «Уголь России» (проект 0-23); федеральной целевой программы «Топливо и энергия» (проект «Технология и средство отработки угольных пластов»), а также договорных работ с шахтами и разрезами Кузбасса.
Целью диссертации является повышение эффективности подземной разработки свиты угольных пластов в приконтурной зоне разрезов за счет использования научно обоснованных геомеханических параметров способов подготовки и систем разработки.
Идея работы состоит в пространственно-временном взаимодействии открытых и подземных горных работ для использования эффекта разгрузки очистных и подготовительных выработок при подземной разработке свиты угольных пластов в приконтурной зоне разреза.
Задачи исследований:
разработать методику расчета смещений горных пород при подземной разработке угольных пластов в приконтурной зоне разреза с использованием алгоритмов корректировки механических и деформационных свойств пород по измеренным в натурных условиях смещениям;
установить параметры частичной разгрузки углепородного массива вблизи подземных горных выработок в приконтурной зоне разреза с учетом пространственного положения и направления движения очистных забоев;
изучить влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на геомеханические параметры технологии подземной разработки свиты угольных пластов в приконтурной зоне разрезов при раздельном и совокупном влиянии открытых и подземных горных работ;
установить закономерности активизации геомеханических процессов при подземной разработке свиты угольных пластов в области влияния открытых горных работ с учетом взаимного наложения смещений и изменения свойств горных пород в зоне растягивающих напряжений;
обосновать геомеханические параметры подземного модульного гидроучастка в приконтурной зоне разрезов, обеспечивающих выбор рациональных параметров технологических схем подземной разработки.
Методы исследований:
физическое моделирование на эквивалентных материалах для установления параметров разгрузки подземных горных выработок;
численное моделирование на ЭВМ при изучении влияния открытых и подземных работ, горно-геологических и горнотехнических факторов на геомеханические параметры технологии подземной разработки свиты угольных пластов в приконтурной зоне разрезов;
шахтные исследования смещений и конвергенции кровли и почвы подземных горных выработок вне и в зонах влияния угольных разрезов .
Основные научные положения, разработанные автором, и их новизна:
методика расчета смещений подземных горных выработок при разработке угольных пластов в приконтурной зоне разреза учитывает, что в подрабатываемом анизотропном массиве горные породы последовательно испытывают упругие, упруго-пластические и запредельные деформации, а разгрузка подземных горных выработок под дном траншеи происходит только за счет упругих деформаций;
форма и размеры области разгрузки горных пород вблизи подземных выработок в приконтурной зоне разреза зависят от ширины дна траншеи, направления движения фронта открытых работ и положения подземной выработки относительно рабочего борта траншеи;
влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на геомеханические параметры подземных горных выработок в приконтурной зоне разрезов качественно подобно влиянию этих факторов на геомеханические параметры технологии подземной разработки при отсутствии открытых горных выработок;
активизация геомеханических процессов при отработке свиты угольных пластов подземным способом в приконтурной зоне разреза происходит за счет наложения зон сдвижения и разрушения горных пород, возникающих под влиянием подземных и открытых выработок и интенсификации процессов разрушения горных пород в области растягивающих напряжений;
методика расчета параметров подземной технологии разработки угольных пластов в приконтурной зоне разрезов учитывает пространственное положение и направление движения очистных забоев и использует в качестве критерия устойчивости выемочных выработок предельную деформацию их кровли.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
использованием геометрических и механических критериев подобия эквивалентного материала физической модели и углепородного массива;
удовлетворительной сходимостью (до 10 %) вычисленных и измеренных сдвижений массива горных пород;
процедурой настройки входных параметров алгоритма расчета смещений горных пород по результатам натурных измерений;
положительными результатами применения рекомендуемых геомеханических параметров на двух открыто-подземных гидроучастках в Кузбассе.
Научная новизна работ состоит:
в обосновании коэффициентов структурного ослабления горных пород в алгоритме расчета смещений углепородного массива по натурным измерениям смещений, полученных при независимой подземной и открытой разработке;
в установлении влияния размеров ширины, направления движения и пространственного положения подземных забоев относительно границ разреза на форму и размеры зоны разгрузки углепородного массива вблизи подземных выработок;
в выявлении качественного подобия влияния горно-геологических и технологических факторов на геомеханические параметры подземных горных выработок в приконтурной зоне разрезов и при отсутствии открытых разработок;
в установлении явления активизации процессов сдвижения углепородного массива за счет разрушения горных пород в зонах растягивающих напряжений, возникающих при встречном движении фронта подземных и открытых работ;
в обосновании геомеханических параметров и области применения локальных подземных модулей разработки угольных пластов в приконтурной зоне разрезов с учетом критерия устойчивости подземных выемочных выработок по предельным деформациям их кровли.
Личный вклад состоит в разработке методик, проведении лабораторных и шахтных измерений, обработке и анализе результатов исследований, установлении закономерностей активизации процессов сдвижения горных пород и обосновании геомеханических параметров подземной технологии разработки свиты угольных пластов в приконтурной зоне разрезов и включает:
разработку методики аналоговой корректировки механических и деформационных характеристик горных пород по результатам натурных измерений смещений контура подземных выработок;
установление параметров областей повышенного горного давления и зон разгрузки вокруг подземных горных выработок в приконтурной зоне разрезов;
установление подобия закономерностей влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на геометрические параметры систем подземной разработки угольных пластов вне и в зоне влияния разрезов;
установление условий и параметров активизации процессов смещения уг-лепородного массива при встречном движении фронта подземных и открытых работ;
обоснование геомеханических параметров подземного гидроучастка и реализация его проекта в приконтурнои зоне разреза.
Практическая ценность диссертации состоит в том, что полученные результаты исследований позволяют:
расширить область применения существующих нормативных документов прогноза геомеханических параметров традиционных технологий угледобычи для прогноза параметров подготовки и отработки угольных пластов подземным способом в приконтурнои зоне разрезов;
отрабатывать подземным способом с минимальными затратами запасы угля в Кузбассе вблизи разрезов в объеме 450 млн.т;
продлить на участках, неблагоприятных по горно-геологическим условиям для открытых работ, период эксплуатации подземным способом Томусин-ского, Байдаевского, Прокопьеско-Киселевского и других угольных месторождений Кузбасса при ограниченных начальных инвестициях;
обосновывать на стадии проектирования пространственно-планировочные и технологические решения по вскрытию, подготовке и выемке подземным способом угольных пластов в приконтурнои зоне разрезов;
использовать результаты опытно-промышленной эксплуатации локальных гидроучастков для подземной разработки угольных пластов в приконтурнои зоне разрезов.
Реализация выводов и рекомендаций:
методика расчета смещений горных пород при подземной разработке угольных пластов в приконтурнои зоне разреза использована институтом ВНИИгидроуголь при разработке рабочего проекта «Строительство гидроуча-
стка разреза «Листвянский» по отработке запасов пластов V-VII подземным гидромеханизированным способом»;
параметры частичной разгрузки углепородного массива рассчитаны для условий разреза «Кедровский» и использованы при выборе ширины коротких угольных столбов, отрабатываемых подземным способом;
закономерности влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на геомеханические параметры технологии подземной разработки свиты угольных пластов в приконтурной зоне разрезов использованы при выборе очередности отработки свиты пластов Волковский и Владимировский гидроучастка разреза «Кедровский»;
методика расчета геомеханических параметров комбинированной технологии, основанная на закономерностях активизации процессов сдвижения и разрушения горных пород при взаимном влиянии открытых и подземных выработок, использована институтом ВНИИгидроуголь при проектировании открыто-подземных гидроучастков разреза «Краснобродский».
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на Международных науно-практических конференциях «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 1997г., 1999г.), «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» (Новокузнецк, 1998г.), «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 1999), технических советах института ВНИИгидроуголь (Новокузнецк, 1998-1999гг.), технических советах ОАО «Ленинскуголь» (Ленинск-Кузнецкий, 1996-1997гг.), ОАО «Северокуз-бассуголь» (Кемерово, 1998-1999гг.). По теме диссертации опубликовано 11 научных работ. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, содержит 166 страниц машинописного текста, 9 таблиц, 50 рисунков, список литературы из 77 наименований.
Анализ способов и средств управления состоянием массива горных пород при комбинированной отработке месторождений полезных ископаемых открытым и подземным способами
В горной науке и практике на основе открытого и подземного способов добычи минерального сырья создана и успешно развивается комбинированная технология. Интеграция достоинств технологий открытых и подземных горных работ позволяет в определенных горно-геологических и горнотехнических условиях обеспечить технологическую совместимость разных способов добычи и повысить эффективность работ за счет [29-31]: сокращения объема инвестиций на строительство горных предприятий при последующем совместном использовании отдельных элементов и объектов выработок, транспорта, утилизации вскрышных пород, водоотлива и дренажа, технологического комплекса переработки и погрузки минерального сырья и др; снижения потерь полезных ископаемых; улучшения качества горной массы.
Положительный опыт совместной и повторной разработки месторождений полезных ископаемых имеется в США, Канаде, Австрии, Швеции. В странах СНГ в настоящее время по комбинированной технологии отрабатываются более 40 месторождений [31]. Наиболее часто комбинированная технология применяется при отработке рудных месторождений.
Сущность комбинированной открыто-подземной разработки карьерных и шахтных полей подробно изложена в работе Т.М.Мухтарова [30]. Автор приводит возможные технологические схемы комбинированной разработки для различных горно-геологических условий (рис. 1.1). В основу технологических вариантов заложены схемы совместного вскрытия карьерных и шахтных полей с различной степенью технологической взаимосвязи.
Согласно рис. 1.1 технологические процессы открытых и подземных горных работ могут быть совмещены полностью или частично и выполняются параллельно. Совмещение и параллельное выполнение работ кроме положительных качеств имеет и негативное влияние. По данным [30], в зависимости от конкретной ситуации, возможно удорожание или снижение затрат при комбинированной технологии на 10-50 % по сравнению с базовым вариантом при отработке по одной технологии.
Вопросам развития комбинированной технологии посвятили свои научные труды М.И. Агошков, Б.П. Боголюбов, В.К. Вороненко, П.Э. Зурков, Д.М. Казикаев, В.В. Куликов, Н.Н. Лось, Н.В. Мельников, Т.М. Мухтаров, Г.И. Черный, М.Ф. Шнайдер, В.А. Щелканов и др.
По известной классификации В.А.Щелканова [32] возможны три варианта развития комбинированной технологии: последовательная разработка с переходом от открытого к подземному способу, последовательная отработка с переходом от подземного к открытому способу и совмещенная разработка. Некоторые авторы [28, 29] включают в комбинированную технологию также различные варианты повторной разработки для добычи списанных в виде потерь или оставленных в недрах запасов полезного ископаемого. Имеется также в горной практике некоторый опыт совместной отработки открытым и подземным способами угольных пластов. Например, одновременно работы открытым и подземным способами велись на Коркинском разрезе, Ан-гренском месторождении в Узбекистане и др. Большой опыт совместной отработки угольных пластов открытым и подземным способами накоплен в Прокопьевско-Киселевском районе Кузбасса [28]. В этом регионе добыча открытым способом достигает 25 % от общего объема. Наибольшее распространение получили участки открытых горных работ в структуре шахт. Эти участки кочуют по шахтной поверхности, отрабатывая нетронутые выходы мощных пластов или частично отработанные подземным способом с потерями до 50 %. Опыт эксплуатации участков открытых горных работ в пределах горного отвода шахт Прокопьевско-Киселевского района показал, что даже при коэф-фициенте вскрыши до 27 м /т себестоимость угля ниже по сравнению с себестоимостью угля, извлеченного подземным способом [28]. На рис. 1.2 приведен один из вариантов отработки свиты крутых пластов одной из шахт г.Киселевска (период 1960-1970 гг.). Отбитый уголь от экскаватора по конвейеру и углеспускной скважине поступал в подземный бункер. Из бункера горная масса по подземным горным выработкам транспортировалась до околоствольного двора. Комбинированная технология отработки угольных пластов обеспечивала стабильность и эффективность работы горного предприятия за счет резервирования забоев и усреднения качества горной массы. Как отмечалось ранее [32], в горной практике отработки угольных месторождений возможно последовательное применение открытого и подземного способов и совместное. В Московском государственном горном университете (МГТУ) создана технология разработки угольных месторождений подземным способом из поэтапно углубляемых траншей [33]. Сущность технологии (рис. 1.3) заключается в том, что шахтное поле делится на блоки или выемочные поля. Каждый блок или выемочное поле вскрывается поэтапно углубляемой траншеей. Из траншеи проводятся подготовительные выработки. Схема расположения выемочных выработок зависит от горно-геологических условий и применяемой системы разработки.
Разработка методики расчета сдвижения горных пород при совместной отработке свиты угольных пластов открытым и подземным способами
Расчет геомеханических параметров, перечисленных в предыдущем подразделе и отличающихся многообразием и широким диапазоном использования при открытых и подземных работах, требует применения универсального алгоритма, базирующего на решениях фундаментальных уравнений механики горных пород.
Аналитическое решение дифференциальных и интегральных уравнений механики горных пород возможно в настоящее время только для частных случаев: изотропная среда, выработки с поперечным сечением в виде круга или эллипса и др. Следовательно, решить задачу расчета смещений анизотропного слоистого массива горных пород с учетом взаимного влияния системы подземных и открытых горных выработок, свойств пород вскрыши традиционными аналитическими методами не представляется возможным.
Поэтому в настоящей работе принята за основу методика численного решения дифференциальных уравнений механики горных пород. Как следует из результатов анализа, проведенного в первом разделе [18, 19, 37, 43, 44 и др.], результаты численного решения могут быть использованы для анализа напряженно-деформированного состояния в каждой точке исследуемой модели, определения параметров откосов и горных выработок.
Численное решение дифференциальных уравнений осуществляется методами конечных разностей (МКР), конечных элементов (МКЭ), граничных интегральных уравнений (МГИУ), дробных шагов (МДШ) и др.
Наиболее полно разработан и широко применяется МКЭ. Возможность его использования расширяется за счет большого числа различных пакетов программ на компьютерном рынке, простой технологии подготовки исходных данных и интерпретации полученных результатов, доступной для непрофессиональных пользователей технологии работы с пакетами программ.
Сущность МКЭ состоит в том, что путем минимизации потенциальной энергии системы породных слоев и угольных пластов, включающей горные выработки, составляется система уравнений. Неизвестными параметрами системы уравнений являются вертикальные и горизонтальные смещения точек массива горных пород и элементов крепи.
Неизвестная функция смещений заменяется системой линейных зависимостей, каждая из которых применима на ограниченном локальном участке исследуемой модели. Отдельный локальный участок представляет собой конечный элемент в виде линии, треугольника, многоугольника, тэтраэдра и т.д.
В настоящей работе конечный элемент принят в виде треугольника (рис.2.3). У каждой вершины треугольника неизвестными являются вертикальное W и горизонтальное V смещение вершины. Форма треугольников может быть произвольной, но наиболее корректные результаты получаются при равносторонних треугольниках с минимальной площадью.
Для моделирования геометрическая модель (рис.2.1) делится на систему треугольных элементов. Число конечных элементов существенно влияет на продолжительность счета на ЭВМ и точность расчетов. Хотя по мере развития ЭВМ число элементов растет, однако возможности МКЭ ограничиваются несовершенством ЭВМ и программного обеспечения.
В этой связи пользователи МКЭ стремятся оптимизировать сеть конечных элементов путем изменения их числа, размеров и применения неравномерной сетки. В настоящей работе также используются эти приемы. В частности, наименьшая площадь треугольников принимается на участках геометрической модели, где требуется более высокая точность. На рис.2.4 показан в качестве примера вариант разделения геометрической модели, приведенной на рис.2.1, на конечные элементы.
На рис.2.4 показан фрагмент варианта триангуляции геометрической модели для решения задачи расчета смещений подземной выработки, находящейся в зоне влияния открытых разработок. У подземной выработки длина стороны треугольника составляет 0.05 м, а не периферии геометрической модели до 10 м. Участок с минимальной площадью треугольников может быть расположен в любой части геометрической модели. В этом случае можно детально изучить влияние подземных и открытых выработок на напряжения и деформации пород в заданной точке.
Таким образом, путем варьирования схемы разделения геометрической модели на треугольные элементы (перемещение начала координат) достигается погрешность расчета 5-7 % по сравнению с фундаментальными аналитическими решениями. В работах [47, 48, 51] доказано, что при увеличении числа элементов в 3 раза разность между смещениями, вычисленными по аналитическим зависимостям и численными методами, уменьшается в 5 раз.
Относительно каждого неизвестного смещения составляется локальное алгебраическое уравнение, т.е. число локальных уравнений равно числу неизвестных смещений. По определенной схеме проводится сборка локальных уравнений в глобальную систему алгебраических уравнений, после решения которой определяются горизонтальные и вертикальные смещения каждой вершины конечного элемента.
Следует отметить, что в горной практике для принятия решения необходимы смещения, возникающие при техногенной деятельности. Поэтому решение системы уравнений необходимо проводить дважды. Сначала ведется расчет для нетронутого массива, т.е. при отсутствии горных выработок, а потом с учетом горных работ. Разность смещений, полученных по двум вариантам, является аналогом измерений, получаемых маркшейдерскими способами.
Для учета анизотропии горных пород вершины треугольников располагаются на границах (контактах) породных слоев, а деформационные свойства пород в соседних конечных элементах могут быть разными. Относительное проскальзывание соседних породных слоев и блоков и возможность расслоения пород моделируется введением в геометрическую модель пластических слоев с меньшим модулем упругости по сравнению с соседними породами.
Результаты лабораторных и аналитических исследований на физической модели влияния открытых выработок на деформации подземных выработок
Для повышения надежности результатов математического моделирования программой исследований предусмотрена настройка параметров модели по геомеханическим параметрам, полученным при проведении натурных экспериментов.
Анализ технической литературы показал, что натурные измерения геомеханических параметров при комбинированной разработке угольных пластов проводились в ограниченном объеме и являются уникальными, т.е. по ним трудно установить какие-либо закономерности [2]. При комбинированной разработке рудных месторождений число экспериментальных измерений сдвижений земной поверхности и бортов карьеров значительно больше, но эти результаты не могут быть полностью использованы в настоящей работе из-за существенного различия свойств углепородного и рудного массивов, а также несоответствия систем разработки на рудниках и шахтах.
Поэтому в настоящей работе проведены единичные экспериментальные исследования при совместной отработке открытым и подземным способами угольных пластов в условиях разреза "Кедровский" концерна "Кузбассразрезуголь" и использованы результаты натурных измерений, выполненных другими исследователями. В частности, имеется большой экспериментальный материал при подработке подземными работами склонов холмов. Исследования процесса сдвижения горных пород при подработке их короткими забоями с гидромеханизацией в большом объеме проведены во ВНИМИ, ВНИИгидроугле и СибГГМА [52, 53].
Однако, для установления закономерностей влияния изменений отдельных параметров на сдвижение и деформации подрабатываемого массива горных пород нужно провести массовые эксперименты. Это можно осуществить методами моделирования на физических моделях [54].
Основными условиями физического моделирования геомеханических процессов является соблюдение геометрического и физического подобия объекта и его модели. При наличии математической модели с использованием в ней МКЭ требования к адекватности модели объекту могут быть занижены. Для этого используется следующий методический прием.
Разрабатывается и выполняется в мелком масштабе модель объекта. В качестве эквивалентного материала модели, заменяющего реальные породы, выбирается песок или инертная пыль на парафиновой основе, желатин, органическое стекло и другие материалы. Проводится физическое моделирование с имитацией поставленной технологической задачи и определяются смещения точек физической модели.
Деформационные характеристики материала модели, форма и размеры выработок в масштабе физической модели вводятся в качестве исходных данных в математическую модель и МКЭ определяются сдвижения точек модели. Соответствие вычисленных смещений и измеренных на физической модели свидетельствует о возможности замены физического моделирования математическим. После замены деформационных параметров материала физической модели на деформационные параметры горных пород можно методами математического моделирования определить сдвижения, деформации и напряжения в реальном массиве горных пород.
Для физического моделирования была разработана конструкция экспериментального стенда (рис.2.9). Стенд включает жесткое и упругое основания, раму, измерительное устройство и материал, эквивалентный реальным породам. Длина рабочей части стенда 2000 мм, высота 1200 мм и ширина 150 мм. В качестве упругого основания использована упругая резина в виде полосы длиной 2000 мм и толщиной 30 мм. Упругое основание укладывается на жестко закрепленный швеллер. В швеллере и упругом основании высверливаются отверстия, в которые вставляется опорные шайбы с металлическими стержнями диаметром 3 мм. Конец каждого стержня с помощью резьбы соединяется с индикатором часового типа, установленном на швеллере.
Перед началом моделирования и в конце проводится тарировка упругого основания. Для этого после фиксации начальных отсчетов по индикаторам проводится послойная загрузка модели чугунной дробью и для каждого индикатора вычерчивается тарировочный график в координатах нагрузка-деформация упругого основания. Аналогичный график строится и при послойной разгрузке чугунной дроби.
Моделирование на экспериментальном стенде осуществлялось в следующей последовательности: 1) записываются начальные параметры по индикаторам часового типа; 2) проводится загрузка модели эквивалентным материалом; 3) записываются данные по индикаторам часового типа; 4) устанавливаются на поверхности модели измерительные марки; 5) определяется положение измерительных марок относительно базовой шкалы на раме стенда; 6) фотографируется поверхность модели; 7) делается вырез в модели, имитирующий горную выработку; 8) фотографируется поверхность модели; 9) измеряются смещения измерительных марок; 10) записываются данные по индикаторам; 11) увеличивается вырез в модели или делается другой вырез; 12) фотографируется поверхность модели; 13) измеряются смещения измерительных марок; 14) записываются данные по индикаторам. Этапы 11-14 повторяются в соответствии с поставленной задачей и циклами отработки модели.
После отработки модели по заданной программе проводится анализ и обобщение результатов измерений. Для этого вычерчиваются графики изменения давления на упругое основание с использованием тарировочных графиков и смещений измерительных марок.
Одновременно геометрические размеры и деформационные свойства эквивалентного материала физической модели вводятся в ЭВМ и проводится расчет смещений поверхности модели и давления в упругом основании. После сопоставления результатов физического и математического моделирования принимается решение о продолжении исследования, при хорошей сходимости результатов, или повторении опытов в случае недопустимых расхождений результатов измерений и вычислений.
Исследование влияния горнотехнических факторов на геомеханические параметры углепородного массива при комбинированной отработке свиты угольных пластов
Контрольные опыты на физической модели показали, что деформации упругого основания, измеренные индикаторами часового типа с точностью отсчета по шкале 0,01 мм, при моделировании одиночных подземных выработок составляют 0,01-0,05 мм. Погрешность измерения смещений марок на поверхности модели с помощью теодолита достигает ±0.05 мм.
В этой связи, для повышения надежности получаемых результатов, в зоне влияния выработки были установлены индикаторы часового типа с точностью отсчета 0.001 мм. Учитывая ограниченное число таких индикаторов и сложность их настройки в каждом опыте, было принято решение использовать показания индикаторов с точностью отсчета 0.001 мм для настройки параметров математической модели.
Для этого было скорректированы компьютерные программы МКЭ таким образом, чтобы входные параметры, геометрические размеры и свойства эквивалентного материала математической модели полностью соответствовали указанным параметрам физической модели.
Для повышения пределов изменения деформаций упругого основания было проведено физическое моделирование при разных модулях упругости резинового основания. На рис.3.5 показаны графики смещений контура подземной выработки при изменении модуля упругости основания от 1 до 7 МПа. Как следует из графиков, модуль упругости упругого основания оказывает существенное влияние только на смещения почвы выработки и не приводит к изменению смещения боков и кровли выработки.
Подобные опыты на физической модели были проведены путем замены резиновых слоев с разными модулями упругости. Установлено, что влияние модуля упругости на деформации материала модели ограничено только областью, где изменены модуль упругости материала, а на остальных участках модели, в пределах которых модули упругости не изменялись, характер деформирования, при прочих равных условиях, сохранился. В соответствии с установленными закономерностями локального влияния деформационных свойств материала на смещения поверхности физической модели была разработана методика настройки параметров математической модели, адекватной физической. В качестве настраиваемого параметра был принят модуль упругости эквивалентного материала. Критерием качества настройки математической модели является разность смещений, полученных при физическом и математическом моделировании. Настройка математической модели осуществлялась в итерационном режиме путем изменения модулей упругости слоев эквивалентного материала. Итерация прекращалась при разности измеренных и вычисленных смещений менее 10 %. Использование математической модели адекватной физической модели позволило не только получить дополнительные смещения всей поверхности физической модели, но и оценить надежность алгоритма и программного обеспечения МКЭ.
В результате настройки параметров математической модели, адекватной физической, было установлено, что модуль упругости резины, указанный в ее технической характеристике, в математической модели следует увеличивать в 1.25-1.30 раза. Это можно объяснить разными условиями испытания и эксплуатации материала, так как лабораторные испытания свойств резины проводились в условиях одноосного напряженного состояния образцов, а в физической модели резиновые слои находятся в двумерном напряженно-деформационном состоянии.
Согласно программе исследований изучалось влияние формы, пространственного положения и размеров открытых горных выработок на смещения эквивалентного материала в окрестности выреза, имитирующего одиночную подземную горную выработку (рис.3.6) или выработанное пространство подземного очистного забоя.
Исследование размеров открытых выработок проводилось путем изменения ширины траншеи L (рис.3.6) от 0 до 600 мм . Одиночная выработка шириной 40 мм и высотой 17 мм расположена выше упругого основания на расстоянии 10 мм и ниже дна траншеи на 290 мм. Высота модели равна 1000, а длина - 2000 мм . Модуль упругости резины в упругом основании Еуо =5 МПа. Толщина слоев эквивалентного материала и модули упругости резины в слоях приведены в табл. 3.2. В последней колонке табл. 3.2 дано наименование реальных пород, эквивалентных по деформационным свойствам резине в слоях физической модели.
Было отработано семь моделей при ширине дна траншеи 0; 40; 70; 140; 240; 500 и 600 мм. Каждая модель отрабатывалась в следующей последовательности. Проводилась настройка индикаторов часового типа и записывались начальные отсчеты. Укладывались последовательно снизу вверх слои резины. Через каждые 2-3 слоя записывались отчеты по индикаторам и вычислялась нагрузка на упругое основание. После укладки всех слоев намечались границы горных выработок, слои разрезались по периметру выработок и вновь укладывались в модель. В окрестности подземной выработки устанавливались с помощью канцелярских кнопок марки. На каждой марке отмечался центр и подписывался номер.