Геомеханическое обеспечение горных и горно-строительных работ. Ч.1. Геомеханическое обеспечение подземных горных работ. Учебное пособие

σр = 11,2 кПа. Предел упругого деформирования на сдвиг зависит от нормального давления, его определяют по условию Кулона-Мора:

запредельныехарактеристики, атакжеобъемноерасширениегорныхпород при разрыхлении.

Исследованиями установлено, что деформации растяжения формируются во всей толще пород над выработанным пространством. Деформации сжатия максимальны в вертикальном сечении, проходящем через плоскость забоя, и уменьшаются по мере удаления от него в сторону нетронутого массива. На межслоевых контактах происходит скачок и смена знаков горизонтальных сдвижений и деформаций.

При увеличении глубины разработки процесс разрушения может быть описан лишь с применением полной зависимости «напряже- ния–деформации».

Исследованияпоказывают, чторазрушениеначинаетсянадкраевыми частями лавы. Основная часть подрабатываемого массива на первых итерациях не переходит в запредельное состояние и как целое смещается в выработанное пространство. Упомянутое разрушение приводит к перераспределению НДС и возникновению новых областей запредельного деформирования массива. Оседания дневной поверхности возрастают над выработанным пространством, горизонтальные сдвижения – в краевых частях лавы. Более мелкая дискретизация области в местах больших градиентов напряжений приводит к лучшему соответствию данных практики

итеории.

Сувеличением объемного расширения горных пород в зоне обрушения происходит рост оседания в области, близлежащей к кровле отработанного пространства, и уменьшение их в окрестности земной поверхности, что соответствует данным практики.

51

4.5. Геофильтрационный прогноз в условиях блочной структуры угольных пластов Донбасса [12]

Прогноз включает следующие этапы:

-выделение блочной структуры месторождения;

-оценка напряженного состояния внутри и на контактах блоков;

-проведение геофильтрационных расчётов.

Естественное поле напряжений в пределах разрабатываемого месторождения является результатом взаимодействия элементов блочной системы шахтного поля. Взаимные смещения блоков, а также их деформирование имеют решающее значение в определении нетронутого НДСМ и геофильтрационного состояния ГФС. Так как эти состояния объясняют развитие геоопасных процессов и явлений, то рассмотрим их закономерности.

Создание методов компьютерного расчёта НДС, которые учитывали бы блочное строение массива, является актуальной задачей, затрагивающей все проблемы горной геомеханики и газодинамики, в том числе проблему газодинамических явлений. Применение математических методов позволяет создавать комплексы программ, имеющих отношение к обеспечению геодинамической безопасности.

Метод граничных интегральных уравнений ГИУ позволяет решать контактные задачи на границах блоков. При этом применяют паспорта контактной прочности между блоками. Разработанные алгоритмы сразу определяют величины напряжений и деформаций на границах блоков. Для расчёта этих величин внутри блоков применяют специальный вариант метода конечных элементов МКЭ.

Для геофильтрационного прогноза гидродинамическим аналогом

Если не учитывать блочной структуры, то среда однородна по критерию

52

проницаемости, все изменения которой будут отражать проявление неоднородности напряженного состояния. Формулы для главных компонент тензора проницаемости имеют вид:

εi, j, k – главные компоненты тензора упругих деформаций.

Для геофильтрационного прогноза применяют экспериментальные результаты, связывающие структурные и фильтрационные характеристики пластов с напряженным состоянием.

Границы блоков могут смещаться. При этом решены задачи с учетом вертикальной и горизонтальной составляющих горного давления:

вблоках имеют место зоны повышенных и пониженных относительно граничного давлений и проницаемости. В результате воздействия повышенных тектонических напряжений происходит упругое вытеснение газа

вобласти с пониженными напряжениями, в результате чего газоопасность отдельных участков пласта претерпевает существенные изменения. Такая ситуация требует дифференцированного подхода к дегазации участков угольного пласта.

Врезультате исследований, например, установлено, что учёт взаимодействия отдельных элементов тектонической структуры существенно сказывается на картине распределения фильтрационных характеристик

53

в породах блоков. В частности, наблюдается заметное увеличение проницаемости угля при удалении от зон концентрации напряжений.

Методика позволяет научно обоснованно проводить локальную дегазацию угольных пластов и рудных массивов. Приведенный алгоритм можно применять для безопасной эксплуатации угольных, кимберлитовых

ижелезорудных месторождений под водными объектами и горизонтами.

4.6.Техногенные геомеханические поля напряжений

месторождений полиметаллических руд Норильска [7]

Особенностью задания условий на верхней и нижней границах мощной пластовой залежи являются напряжения σy = - γН , σx = -1,5γH. В местах ожидаемой концентрации напряжений производят утоньшение элементов. В результате моделирования выемки слоями с последующей закладкой получили, что последняя приводит к перераспределению полей напряжений. Опережающая выемка подкровельного и напочвенного слоёв оказывает разгружающее действие. Это было отчётливо зафиксировано. Путём варьирования геометрических размеров, количества очистных забоев можно выбрать ситуацию, наиболее благоприятную с позиций геомеханики.

Изучение напряженного состояния массива в зоне тектонических нарушений в процессе предварительной выемки защитного слоя позволило, например, установить его размеры в зависимости от мощности залежи.

4.7. Техногенные геомеханические поля напряжений при отработке удароопасных залежей Горной Шории [9]

Железорудные месторождения Горной Шории характеризуются мощными крутопадающими залежами, которые заключены между разрывными нарушениями. Линейные размеры структурных блоков в районе

54

Таштагольского месторождения в плане 78,59,5; 4,511 км. При высоте

блоков 4 км объем их составляет 9,41011 м3 и более. Дизъюнктивы об-

рамляют блоки объемом от 3,7106 м3 до 7,5106 м3. При отработке залежей происходит сдвижение пород висячего и сползание пород лежачего крыльев.

Эти сдвижения сопровождаются обрушением потолочин в камерах, раздавливанием целиков, завалами выработок, разрушением крепи и другими динамическими явлениями. Триггерами подвижек геологических блоков и пород, кровли и почвы на 80% являются взрывные работы, проводимые при массовом обрушении технологических блоков и подработке массива. За последние 10 лет произошло более 5000 динамических явлений, в том числе 18 горных ударов, 6 ударов горнотектонического типа, 2 землетрясения, 40 микроударов, свыше 4000 толчков.

Установлена связь между геодинамическими явлениями. В 1982 году

врайоне г. Таштагола зарегистрировано землетрясение с эквивалентом ВВ 250 т. Через минуту после землетрясения произошел подземный горный удар. В последующие пять суток в шахте было отмечено 12 толчков с эквивалентом ВВ от 0,6 до 24,5 т. В выработках наблюдали деформирование бетонной крепи, вспучивание почвы. В 1988 году произошло Кочуринское землетрясение, эпицентр которого находился на расстоянии 4 км от границ рудника. Сила землетрясения составила 6 баллов по шкале Рихтера, сейсмическая энергия – 109 Дж. На месторождении отмечали горнотектонические удары с подвижками пород по сместителям нарушений.

За 10 лет на месторождении проведено более 50 массовых взрывов. Сейсмическая энергия колебалась от 108 до 2,3·108 Дж. Установлено, что

вэпицентральной зоне Кочуринского землетрясения отмечено увеличение сейсмической энергии афтершоков, что явно связано с промышленными взрывами на Таштагольском месторождении. Исследование влияния

55

крупномасштабных взрывов на состояние массива горных пород проводят анализом микросейсм, регистрируемых сейсмостанцией «Таштагол», сетью сейсмоприемников, которую располагают на расстоянии 4-20 км от очагов взрывов и динамических явлений. Методами щелевой разгрузки, электрометрии и применением глубинных реперов установлена особенность поствзрывной сейсмоактивности. Пространственное распределение динамических явлений изменяется во времени с определенной закономерностью: сначала толчки удаляются от эпицентра взрыва – триггера до окрестностей геологических нарушений – вибраторов, затем они возвращаются в район взрыва. Так, при обрушении блоков с энергией взрывов 3,2·107 и 6,8·108 Дж произошли толчки на расстоянии от 30 до 500 м за отрезок времени до 100 часов от центра взрывов, а затем за промежуток времени более 60 часов отклики возвратились. Афтершоки вызвали в выработках обрушение горных пород, развитие трещин в бетонной крепи и заколообразование. Сейсмическая энергия этих динамических явлений находилась в пределах от 102 до 106 Дж. Одной из причин задержек афтершоков можно считать время прорастания разломов, трещин сдвижения пород висячего и лежачего крыльев.

Оценку напряженно-деформированного состояния осуществляли через23,43 и400 сутокпослемассовоговзрывапозначениюкоэффициента

концентрации напряжений К = Hизм , где σизм – измеренное напряжение

в массиве горных пород, γН – расчётная вертикальная компонента напряжения, прочности руд (120-140 МПа) и пород (160-180 МПа), а также степени удароопасности массива.

Удароопасность массива определена по нормативному критерию

= 0,21, что соответствует III категории, то есть массив неудароопасен.

сж

Для месторождения установлено, что вне зоны влияния очистной выемки максимальные главные напряжения направлены по простиранию

56

вкрест простирания и составляет 35,2 γH, по простиранию напряжения равны 3,5+3,8 γН.

Под влиянием массового взрыва за счёт увеличения длины консоли коэффициент концентрации напряжений изменяется от 4,2 до 11,4. Спустя 400 суток после взрыва произошло восстановление горного давления и значения тектонических напряжений сильно изменилось σ1 : σ2 : σ3 = 0,9 : 0,26 : 1,0. Общий уровень напряжений в массиве не превысил 33% от предела прочности пород, что также соответствует III категории удароопасности.

Таштагольское, Шерегешское и Абаканское месторождения подвергнуты динамическим проявлениям горного давления в виде стреляний, толчков, горных и горнотектонических ударов, а также техногенных землетрясений. Обычно эти явления имеют место после взрывных работ. Горизонтальные составляющие горного давления превышает вертикальную. Эксплуатацию залежи разбивают на ряд этапов, каждый из которых включает отработку одного этажа и заполнение освободившегося пространства разрушенной породой. При отработке очередного этажа вышележащие обрушенные породы рассматривают как упругую среду, имеющую малый модуль упругости. Граничные условия задают аналогично описанным выше.

В результате исследований возможно получить распределение нормальных и касательных напряжений. С изменением порядка отработки блоков происходит перераспределение начального напряженного состояния. Используя достоинства метода математического моделирования,

57

удаётся выбрать такой порядок выемки блоков, при котором перед фронтами отработки имеют место минимальные значения напряжений. Последнее переводит массив в неудароопасное состояние и повышает безопасность горных работ.

4.8. Расчёт НДС массива с учетом последовательности отработки участков месторождения

При решении данной задачи производят дискретизацию расчётной области на треугольные элементы.

В районах расположения рудных тел выполнено более детальное разбиение, на удалении от них использована крупная сетка. При выборе направления координатных осей и расположения границ расчётной области, не совпадающей с направлениями действия главных горизонталь-

где α – угол поворота системы координат;

σn и τn – нормальная и касательная компоненты напряжений. Исследования показали, что напряженное состояние вмещающих

пород определяют начальное состояние массива, глубина отработки, конфигурация и взаиморасположение рудных тел. Установлено, что очистные работы на месторождении целесообразно начинать в первую очередь врудномтелесамогоглубокогозаложения. В этомслучаегеомеханическая обстановка более благоприятная, поскольку значения напряжений на 10% меньше. При этом учитывают эффект разгрузки за счёт подработки массива. Зоны наибольшей концентрации сжимающих и максимальных касательных напряжений формируются в областях между ранее отработанными участками и превышают исходные более чем в 3 раза.

58

4.9. Напряженное состояние удароопасного массива при массовых подземных взрывах [5]

Кардинальное решение проблемы предотвращения горных ударов на месторождении, по мнению авторов, заключается в сокращении числа вызывающих их массовых взрывов посредством укрупнения последних и увеличения масштаба отбойки.

В зонах повышенных напряжений производят крупномасштабные взрывы с применением пучковых и вертикальных концентрированных зарядов ВКЗ. При этом сокращают время реализации афтершоков и увеличивают масштабы отбойки. Достоинством применения ВКЗ является максимальное разрушение рудного массива в пределах вынимаемого блока при отработке рудных тел системами этажного принудительного обрушения. При постановке математической задачи горный массив представляют однородным упругим изотропным телом, зарядную полость – отверствием цилиндрической формы. Действие продуктов детонации заменяют статическим давлением, приложенным к её границам (1000 МПа). Исследуемую область разбивают на треугольные конечные элементы.

где [Д] – матрица упругости; [Т] – матрица, связывающая деформации с узловым перемещением; U – вектор смещения.

Установлено, что в окрестности взрывной полости формируется зона растягивающих напряжений. При этом наибольший объем разрушения достигают при направлении взрыва ВКЗ в сторону четырех свободных поверхностей для конкретного размера блока.

Например, при щадящем взрыве 700 т ВВ было обрушено 1400 тыс. т руды, что составило почти годовую добычу рудника. Спустя 5-6 часов

59

после взрыва было зарегистрировано несколько толчков с энергией 103-105 Дж. Однако число и мощность толчков в первые сутки были невелики.

Установлено, что при производстве крупномасштабных подземных взрывов в удароопасных условиях снижению сейсмического воздействия взрывов и уменьшению числа и мощности динамических явлений в массиве способствует как перераспределению массы ВВ по интервалам замедления, так и наличие компенсационных камер, их расположение относительно полостей от взрывов группы скважин и составляющих горного давления. При этом достигают снижение удельного расхода ВВ на вторичное дробления в 2 раза.

4.10. Моделирование движения горных масс и учёт тектоники

Разработка высококачественного мощного горнодобывающего оборудования требует специальных методов работы. На первом этапе применяют моделирование методом конечных элементов FEM. В последнее время в конструкторском бюро фирмы Айкохофф (Германия), фирмы Тегех (США) широко применяют моделирование движения многих взаимосвязанных масс (MKS).Метод позволяет рассчитать поведение механической системы, состоящей из многих масс, ещё на стадии проектирования машины. Программа 3-D-CAD анализирует взаимодействие внутренних и внешних нагрузок системы с учётом собственного веса системных компонентов и внутреннего трения. Полученную таким образом модель последовательности движений можно затем перед утверждением рабочих чертежей проанализировать и оптимизировать с точки зрения условий износа деталей. Смоделированная последовательность движений соответствует вплоть до малейших деталей поведению оригинала.

60