Удосконалення концепції управління напружено-деформованим станом гірського масиву при підземних гірничих роботах

Размещено на http://www.Allbest.ru/

ДВНЗ «Криворізький національний університет»

Удосконалення концепції управління напружено-деформованим станом гірського масиву при підземних гірничих роботах

О.В. Калініченко, к.е.н., доцент

магістр з гірництва

Анотація

Ключові слова: гірський масив, напруження, деформації, магнетитові кварцити, системи розробки, твердіюча закладка.

Ключевые слова: горный массив, напряжения, деформации, магнетитовые кварциты, системы разработки, твердеющая закладка.

Keywords: rock mass, stress, strain, magnetite quartzite, development systems, consolidating stowing.

Проблема та її зв'язок з науковими та практичними завданнями

Непорушений масив гірських порід на будь-якій глибині від земної поверхні знаходиться в напруженому стані об'ємного стиснення, обумовленого в основному вагою товщі налягаючи порід.

Кожний елементарний об'єм масиву на деякій глибині Н знаходиться під тиском стовпа вищележачих порід, що викликає появу вертикальної складової напружень.

Згідно з законами механіки це викликає виникнення горизонтальних реактивних напружень у взаємно перпендикулярних напрямках і рівних по величині. При утворенні в масиві різних порожнин при виконанні гірничих робіт (проведенні гірничих виробок, очисних роботах), стан рівноваги поля напружень порушується.

Зміна поля напружень при утворенні порожнин-виробок обумовлюється відсутністю протидіючих напружень на границях порожнина-масив. У результаті в окремих місцях оточуючого виробку масиву виникає концентрація напружень, а в інших - їх ослаблення.

Аналіз досліджень і публікацій. Дослідженням теорії і практики управління напружено-деформованим станом масиву при підземному видобутку залізних руд присвячена велика кількість робіт. Серед даних робіт виділяються класичні роботи, присвячені вивченню фізичних явищ, що відбуваються в масиві гірських порід, а також інструктивні, спрямовані на визначення допустимих розмірів штучних підземних споруд.

Серед робіт, присвячених дослідженням пружно-деформованого стану масиву найбільш повними є роботи проф. М.М. Протод'яконова [1], В.Д. Слесарьова [2], Г.Н. Кузнецова [3], С.В. Вєтрова [4], В.Ф. Трумбачьова, Е.А. Мельнікова [5] та інших дослідників [6-14].

Постановка завдання. Розподіл реальних напружень навколо будь-якої виробки та їх величина залежать від форми, розмірів виробки, її орієнтації та властивостей масиву.

Напружений стан навколо виробки змінюється пропорційно глибині від земної поверхні, щільності масиву і обернено пропорційно фізичним властивостям масиву, в основному коефіцієнту міцності.

Тому метою роботи є встановлення закономірностей зміни напружено-деформованого стану масиву та деформацій денної поверхні в залежності від фізико-механічних властивостей гірських порід та застосованих технологій підземного видобутку залізних руд.

Викладення матеріалу та результати. Відомий ряд методів, користуючись якими можна розрахувати та змоделювати розподілення напружень навколо виробки. Це моделювання методом фотопружності, розрахунковий метод кінцевих елементів (МКЕ) та ін. Якщо напруження в окремих ділянках перевищує допустимі (граничні для породи) масив починає обвалюватись. напружений деформований гірський твердіючий закладка

Важливо відзначити, що система, в якій порушено стан рівноваги і яка потім залишена напризволяще, буде намагатися поступово набувати стану рівноваги (принцип Ле Шательє-Брауна). А час, за який система знову прийде в стан рівноваги, називають часом релаксації.

Зі збільшенням площі оголення та глибин гірничих робіт для масиву будь-якої міцності час стійкого стояння оголень зменшується, а швидкість виділення потенціальної енергії пружних деформацій зростає.

Швидкістю протікання кінетичних процесів можна керувати у досить широких межах, застосовуючи різні технологічні заходи та прийоми (зміна розмірів оголень, їх форм, орієнтації, використання різних видів підтримання виробок та інше).

Виймання корисних копалин завжди зв'язане з необхідністю оголення рудного масиву і вміщуючих порід на визначених площах і утворенням виробленого простору. З метою створення можливості виймання руди і безпечних умов робіт виробленим простором і гірським тиском треба керувати. Під таким керуванням розуміють комплекс заходів щодо зменшення і розрядку напруженого стану окремих ділянок рудного масиву і вміщуючих порід, що дозволяє в нормальних і безпечних умовах продовжувати очисні роботи.

В розвинутих гірничовидобувних країнах для підтримки виробленого простору та непорушеної денної поверхні, як правило, застосовують закладку.

Найбільш ефективною є твердіюча закладка, при якій вироблений простір заповнюють твердіючими сумішами, які складаються з в'яжучих матеріалів (цемент, молотий гранульований доменний шлак та ін.), інертних заповнювачів (пісок, супісі, хвости збагачування, щебінь та ін.) і води.

Найважливішою перевагою технології видобутку руд з твердіючою закладкою виробленого простору є те, що її застосування дозволяє:

- запобігати обвалення денної поверхні при попаданні в зони зсуву і обвалення промислових і цивільних об'єктів;

- запобігати розвитку високого гірського тиску, який приводить до можливості розвитку гірських ударів, породних викидів, масових обвалень порід;

- забезпечити високі показники вилучення руди з надр при складних гірничо-геологічних умовах і великій глибині залягання.

У той же час, використання систем розробки з твердіючою закладкою потребує вирішення декількох основних завдань.

По-перше, необхідні дослідження напружено-деформованого стану гірського масиву при проведенні очисних робіт та рекомендації щодо міцності майбутнього штучного закладного масиву.

По-друге, необхідні дослідження з вибору й обґрунтування складів твердіючих сумішей, які на заданий термін твердіння забезпечували б необхідне (нормативне) значення міцності.

Виконані дослідження напружено-деформованого стану гірського масиву відпрацьованої частини родовища магнетитових кварцитів ш. «Гігант-Глибока» РУ ім. Дзержинського в разі заповнення камер твердіючою закладкою дозволили отримати результати, представлені на рис. 1.

На рис. 2 представлено результати розрахунків поля напружень всередині та в нижній частині нижньої частини родовища магнетитових кварцитів ш. «Гігант-Глибока» із зазначеними величинами в контрольних точках закладених камер.

Аналіз отриманих результатів дає змогу стверджувати, що закладка відпрацьованих камер твердіючими сумішами дозволяє зменшити напруження у стелі камер в 2-10 разів, а величину загальної деформації - на 60-70%.

Епюри деформацій відпрацьованої частини родовища магнетитових кварцитів ш. «Гігант-Глибока» при заповненні камер твердіючою закладкою представлено на рис. 3.

Ці показники є досить значними, оскільки встановлений рівень «просідання» денної поверхні є досить суттєвим, особливо з погляду на те, що на поверхні у цьому районі знаходиться інтенсивна житлова забудова та різні об'єкти міської інфраструктури (зокрема дороги), які не допускають порушення денної поверхні та їх руйнування. При цьому час є одним із суттєвих факторів, який буде сприяти і подальшому опусканню земної поверхні на цій ділянці.

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рис. 1. Ізолінії напружень (МПа) в гірському масиві відпрацьованої частини родовища магнетитових кварцитів ш. «Гігант-Глибока» після заповнення камер твердіючою закладкою

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рис. 2. Ізолінії напружень нижньої частини родовища магнетитових кварцитів ш. «Гігант-Глибока» із зазначеними величинами в контрольних точках (МПа) закладених камер

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Рис. 3. Епюри деформацій відпрацьованої частини родовища магнетитових кварцитів ш. «Гігінт-Глибока» при заповненні камер твердіючою закладкою

Крім того, треба враховувати, що в надрах у вищезазначеній ділянці гірничого відводу знаходяться значні запаси досить високоякісних магнетитових кварцитів, які можуть стати об'єктом подальшого видобутку. У такому випадку баланс даної літосистеми буде порушено і прирощення обсягів незаповнених порожнин (відпрацьованих камер) може становити потенційну загрозу.

Висновки

Вибрані методи чисельного моделювання та програми для дослідження складних геомеханічних процесів у гірських масивах дають можливість прогнозувати розвиток їх НДС, визначати можливі деформації у заданих точках і можуть бути складовою частиною моніторингу за розвитком процесу зрушень відпрацьованого гірського масиву.

Доведено, що єдиним способом, який гарантує неможливість провалів і просідань денної поверхні, є застосування систем розробки з твердіючою закладкою. При більш високій собівартості видобутку дані системи розробки дозволяють отримати економію в майбутньому, забезпечивши збереження денної поверхні. При цьому слід сказати, що жодна високорозвинена гірничодобувна країна світу не відпрацьовує родовища корисних копалин в міській межі без наступної закладки виробленого простору.

Список використаних джерел

1. Протодьяконов М.М. Давление горных пород и рудничное крепление. Ч.1. М.-Л. - Новосибирск. - Госгортехиздат, 1933. - 126 с.

2. Слесарев В.Д. Механика горных пород и рудничное крепление. - М.: Углетехиздат, 1948. - 302 с.

3. Кузнецов Г.Н. Определение полной несущей способности кровли подземных выработок // ТР. ВНИМИ. - 1950. №22. - С.231-259.

4. Ветров С.В. Допустимые размеры обнажений горных пород при подземной разработке руд - М.: Изд. «Наука», 1975. - 232 с.

5. Трумбачев В.Ф., Мельников Е.А. Распределение напряжений в целиках и потолочинах камер // Сб. «Исследование распределения напряжений вокруг горных выработок». - Углетехиздат, 1959. - 44 с.

6. Калініченко О.В. Інформаційні технології - складова процесів моніторингу та керування напружено-деформованим станом масиву / Ступнік М.І., Калініченко В.О., Калініченко О.В., Музика І.О., Федько М.Б., Письменний С.В. / Розробка родовищ 2015: щорічний науково-технічний збірник/ редкол.: В.І. Бондаренко та ін.- Д: Літограф, - 2015. - С. 175-183.

7. Калініченко О.В. Визначена економічних ризиків від порушень денної поверхні в результаті підземного видобутку руд / Ступнік М.І., Калініченко В.О., Калініченко О.В. / Вісник Криворізького національного університету: зб. наук. праць. - Кривий Ріг. - 2012. - Вип. 32. - С. 246-250.

8. Калініченко О.В. Економічна оцінка ризиків можливих геомеханічних порушень денної поверхні в полях шахт Кривбасу / Ступнік М.І., Калініченко В.О., Калініченко О.В. / Науковий вісник Національного гірничого університету. - Дніпропетровськ. - 2012. - №6. - С. 126-130.

9. Определение и контроль допустимых размеров конструктивных элементов систем разработки на рудниках Кривбасса / Минчермет УССР. - Кривой Рог: НИГРИ, 1987. - 75 с.

10. Инструктивные указания по определению параметров этажно-камерных систем разработки по условиям проявления горного давления с увеличением глубины ведения работ на шахтах Кривбасса // Изд. НИГРИ. Кривой Рог. - 1965. - 68 с.

11. Определение геометрических параметров камерных систем разработки в Кривбассе со сводообразной и шатровой формами обнажения потолочин. - Инструкция. В.В. Цариковский, В.В. Сакович, П.И. Кишкин, А.Ф. Артеменко, А.Ф. Мигуль. - Кривой Рог: НИГРИ. - 1994. - 17 с.

12. Влох Н.П., Ушков С.М. К вопросу определения предельного пролета выработанного пространства // Сборник научных трудов НИГРИ. - Кривой Рог, 1968. -Т.2. - С. 112-116.

13. Визначення та контроль допустимих розмірів конструктивних елементів систем розробки залізних руд/Інструкція по застосуванню. СОУ-Н МПП 73.020-142:2010. - Київ, 2010. - 122 с.

14. Исследование и разработка геомеханического обоснования технологических схем отработки богатых руд с повышенной устойчивостью конструктивных элементов. В.В. Цариковский, В.В. Сакович. - Отчет НИГРИ. - №ГР018800522136. - Кривой Рог. - 1989. - 74 с.

Размещено на Allbest.ru