МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В НЕОДНОРОДНОМ МАССИВЕ НА РЕОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Аннотация

Одним из ограничений для широкого внедрения анкерной крепи на шахтах является отсутствие нормативной базы. Отсутствуют прогрессивные технологические схемы проведения горных выработок. Технология проведения горных выработок зависит от сложности горно-геологических условий и горно- технических условий разработки. Представлены обобщенные паспорта крепления выработок Карагандинского угольного бассейна. Типовые паспорта крепления выработок с использованием анкерного и смешанного крепления монтажных камер, сопряжений подготовительных выработок. Технологические схемы позволяют сформировать базу данных. Она является основой для создания типовых технологических схем проведения выработок. Также позволит обосновать параметры крепления и поддержания выработок.

Ключевые слова: технология подземных работ, угле-породный массив, контуры, моделирование, натурные наблюдения, исследование деформационных процессов, геомеханические    характеристики, бесцеликовые способы, охрана выемочных выработок,  технологические схем проведения, схемы  развития работ, типовые схемы, горно-геологические условия, горно-технические факторы, анкерная крепь.

Для аналитического моделирования (определения) смещений вмещающих пород вокруг подготовительных горных выработок выполняются следующие действия: определяются геологические условия проведения выработки, для чего составляется геологический разрез с указанием пород почвы и кровли; производится анализ механических характеристик слоев пород; выполняется построение изолиний и эпюр напряжений в окрестности очистной выработки – впереди забоя, в зоне подработки и в зоне остаточного опорного давления; производится расчет зоны неупругих деформаций пород вокруг выработки вне влияния очистной выработки и построение эпюры скоростей смещений на основе экспериментальных данных наблюдений в аналогичных условиях в предшествующее время и построение эпюр скоростей смещений на весь период службы данной горной выработки с учетом установленных смещений путем обобщения имеющихся опытных данных для аналогичных условий; определение смещений контура на различных участках выработки в зависимости от времени (скорости подвигания очистного забоя).

При проведении выработки по углю с устойчивой кровлей и почвой смещения боков выработки значительно превосходят смещения почвы и кровли, которые зависят только от упругих деформаций пород почвы и кровли, а также общего сдвижения без разрушения. Смещения боков выработки складываются из следующих составляющих изменения объема пород в боках выработки: за счет изменения объема конвергенции почвы и кровли в зоне, где действующие напряжения меньше природных; обусловленной разрыхлением пород в зоне неупругих деформаций;

Для системы разработки, когда выработка с одной стороны граничит с массивом, а с другой – с выработанным пространством, смещения со стороны почвы и кровли определяются на границе выработанного пространства. Величина зоны неупругих деформаций с соблюдением баланса сил в зоне остаточного опорного давления и в зоне разгрузки.

Смещения горных пород в приконтурной части выработок могут быть обусловлены следующими причинами: разрыхлением и увеличением объема пород при их разрушении, расслоением по напластованию, прогибом сформировавшихся консолей пород.

Уменьшение или исключение конвергенции пород в кровле выработки по двум последним причинам может быть достигнуто выбором средств и параметров крепления. Более сложным является определение и снижение смещения пород вблизи выработки, связанным с дилатансией горных пород.

Деформация при ползучести включает два этапа. Первый (подготовительный) этап характеризуется коллективными и дислокационными явлениями, определяющими трансляционную (предварительную) деформацию, изменяющую структуру материала. Она определяет условия зарождения микротрещин, их кластеризацию до трещин критических размеров.

По этой причине наиболее вероятным является подрастание трещин в результате втекания в нее дислокаций с плоскостей скольжения соседних зерен, хотя не исключается возможность реализации механизма удлинения трещин.

Математический аппарат, созданный на основе обработки статистической информации по параметрам устойчивости горных выработок Карагандинского угольного бассейна (Республика Казахстан) [1] по прогнозированию ожидаемых смещений, положен в основу компьютерной программы «KMS-Ш» (комплекс моделирования смещений для шахт) [2]. Блок-схема программы исследования напряженно-деформированное состояние массива горных пород представлена на Рисунке 1.

В качестве исходных данных в программу заносятся следующие показатели: глубина разработки, м; объемный вес пород, кН/м3; геологический разрез проводимой выработки с указанием мощности слоев и физико- механических свойств соответствующего слоя (прочности на сжатие и растяжение, коэффициент сцепления и т.д.) угол наклона слоев пород, град; форма поперечного сечения выработки и ее геометрические размеры, м. Результаты аналитического моделирования смещений вмещающих пород вокруг подготовительных горных выработок рассмотрены на примере восточного вентиляционного уклона 50к10-1вшахты «Саранская» Карагандинского угольного бассейна.

Порядок моделирования ожидаемых смещений. Выработка проходится на глубине 428-554 м, под углом 100.   Протяженность выработки составляет 630 м. Общая мощность пласта в месте проведения составляет 4,65 м. Пласт к10 имеет сложное строение и состоит из девяти угольных пачек мощностью 0,05-1,17 м, разделенных прослойками углистого аргиллита и аргиллита мощностью 0,01-0,04 м. Пласт к10 отнесен к категории пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа, с глубины 300 м, опасен по газу и пыли, склонен к самовозгоранию.

В основной кровле пласта залегают песчаники (m=23,7-29,56 м, f=60 МПа). Непосредственная кровля представлена аргиллитами мощностью 1,24-2,09 м (f=25 МПа). Ложная кровля сложена углистым аргиллитом, аргиллитом, мощностью 0,45 м (f=15 МПа). В почве пласта залегают аргиллиты мощностью 5,25-6,35м (f=20-25 МПа), неустойчивые, склонные к пучению. Ожидаемый приток воды составит до 5 м3/ч.Для крепления выработки используют анкерную крепь шагом 0,8 м. Количество анкеров на 1 м выработки: в кровле– 12, в боках - 6.

В результате расчетов с помощью компьютерной программы «KMS-Ш» были получены следующие ожидаемые смещения контуров выработки: в кровле– 200–300 мм; в почве– 500–650 мм; в боках– 150–200мм.

Для сравнения результатов моделирования и фактических смещений были установлены наблюдательные станции на пикетах ПК10, 18, 21, 32, 52, 59 по мере продвигания забоя.

Анализ смещений происходивших со стороны правого бока показывает, что интенсивная стадия деформирования приходится на первый месяц с момента установки наблюдательных реперов. Величина смещений за первый месяц составила 7 мм. В последующие месяцы смещений не наблюдалось (Рисунок 2,а).

В правом боку выработки интенсивные смещения пород приконтурного массива наблюдались в течение первого месяца (Рисунок 2,б). Максимальные значения смещений составили 3 мм. В следующие месяцы смещений не наблюдалось.

На Рисунке 3,а показана динамика развития смещений пород кровли из которого видно, что все смещения происходили в течение первого месяца.

Максимальные значения смещений не превысили 3 мм, что свидетельствует об эффективности выбранных параметров крепи.

Анализ пучения почвы показал, что максимальные значения смещений за первый месяц не превысили 10 мм (Рисунок 3,б). В следующий месяц наблюдался снижение интенсивности и максимальные смещения не превысили 4 мм.

Резюме

Моделирование деформированного состояния горных пород в неоднородном массиве на реологической модели с установлением параметров крепи в очистных, подготовительных, капитальных и др. возможно лишь с учетом геомеханических условий проведения и поддержания выработки при влиянии горно-геологических, горно-технических и технологических условий эксплуатации, схем ведения горных работ.

 

Список литературы

1.     Цай Б.Н. Термоактивационная природа прочности горных пород. Караганда, КарГТУ, 2007. - 204 с.

2.     Демин В.Ф., Бахтыбаев Н.Б., Демина Т.В. и др. Компьютерная программа для ЭВМ («KMS-III» комплекс моделирования смещений - шахтный). Объект интеллектуальной собственности РК № 516 от 04.05.2013г.