Управление свойствами массива горных пород в зоне влияния горностроительных работ

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УПРАВЛЕНИЕ СВОЙСТВАМИ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ГОРНОСТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ

12 3

Салямова К.Д. , Гасанова Н.Ю. , Меликулов А.Д.

1Салямова Клара Джаббаровна - доктор технических наук, профессор, ведущий научный

сотрудник,

Институт механики и сейсмостойкости сооружений АН Республики Узбекистан;

2Гасанова Надежда Юнисовна - старший преподаватель, кафедра математики, Ташкентский государственный технический университет им. И.А. Каримова; Меликулов Абдусаттар Джаббарович - кандидат технических наук, доцент, заместитель генерального директора, ООО «Спецуправление № 75», г. Ташкент, Республика Узбекистан

Аннотация: в статье рассматриваются вопросы, связанные со свойствами массивов горных пород, которые проявляются при любых технологических воздействиях на них, в том числе при наиболее распространенном способе взрывного разрушения. Особенности поведения таких массивов заключаются в сочетании характеристик твердых как упругих, так и пластических тел, включая и хрупких, и вязко-текучих тел, и ползучести. При технологическом воздействии на массив пород происходит изменение их первоначального напряженного состояния, что может привести к нежелательным опасным последствиям как с точки зрения устойчивости и безопасности объекта, так и необходимости дополнительных материальных затрат для обеспечения состояния равновесия в новых условиях. Ключевые слова: горные породы, разрушение, напряженно-деформированное состояние массива, дилатансия, анизотропия свойств пород.

Массив горных пород характеризуется как естественная геологическая среда с иерархически организованной структурой, которая унаследовала ряд своих особенных свойств от предыстории с момента образования и дальнейшего многовекового протекания множества сложных геологических процессов. Широко известно, что горные породы в земной коре в ненарушенном состоянии встречаются редко, обычно они сильно раздроблены и разбиты трещинами [1,2,8,14,21].

С увеличением глубины техногенного воздействия на массив пород в различных целях, в том числе разработки месторождений полезных ископаемых, осложняются горно-геологические условия, выражающиеся в повышении горного давления, обводненности массива. Дополнительной особенностью некоторых регионов, в число которых попадает Центральная Азия, являются сложная геодинамическая ситуация и сейсмотектоническая активность, что сопровождается воздействием дополнительных полей напряжений в окружающем массиве, которые по величине зачастую превышают традиционно учитываемые напряжения от гравитационного поля. В практике горных работ имеется ещё один аспект этой проблемы: обычно добычные технологии и связанные с ними процессы отделения из скального массива необходимой ее части выполняются с применением буровзрывных работ. При разрушении пород взрывным способом ставится задача отделения от сплошного массива только определенной его части в пределах ограниченного контура, причем отделяемая взрывом часть должна быть равномерно раздроблена, а массив за пределами контура разработки (выработки) должен остаться по возможности минимально нарушенным. От степени дробления отделяемой части горных пород при взрыве зависит эффективность дальнейшей технологической цепи - погрузки,

транспорта, переработки. Совокупность ряда естественных факторов приводит к состоянию, когда в зоне горных разработок, как открытых, так и в подземных условиях, в массиве за пределами контура может возникнуть опасность практического проявления повышенных напряжений в виде обрушений, вывалов значительных объемов горных пород. Такие последствия нарушают нормальный ритм и режим работы предприятий, повышают расходы на добычу полезных ископаемых, могут стать причиной несчастных случаев [5,12,16,18].

Прочностные и деформационные свойства горных пород и массивов проявляются во всех технологических процессах, связанных с их извлечением, перемещением и дальнейшей переработкой, а также при обеспечении устойчивости создаваемых объектов и безопасности выполняемого комплекса горных работ.

Особое место в процессах, происходящих в течение длительного времени в прибортовых массивах глубоких карьеров, занимает явление ползучести горных пород [3,4,6,9].

Известно, что при экспериментальном исследовании процессов деформирования различных материалов и конструкций как твердых тел рассматриваются условия «простого» нагружения: испытуемое тело или образец первоначально находится в свободном от нагрузок ненапряженном состоянии, только потом по условиям эксперимента прикладываются механические нагрузки, под воздействием которых и оценивается поведение образца. При таком нагружении образца направления главных напряжений сохраняются неизменными, что позволяет утверждать приемлемость принципа суммирования деформаций и принципа независимости сил [10,11,13,19].

Одной из важных предпосылок механики деформируемых тел является принцип независимости действия сил, согласно которому внутренние усилия и деформации в упругом теле не зависят от порядка приложения внешних сил, а сумма эффектов от сил, взятых в отдельности, эквивалентна действию всей системы сил. При этом также предполагается, что начальные (остаточные) напряжения в теле отсутствуют. В результате детального анализа специалистами отмечается, что статически эквивалентные системы внешних сил, действующих на горные породы как деформируемое тело, дают разный эффект [7,15,1720]. Если, например, перенести вектор силы вдоль линии действия или разложить его на составляющие, то напряженное и деформированное состояния масштабного объемного тела, каким является массив горных пород, могут измениться и не соответствовать значениям, полученным расчетным путем по канонам статики. Отмечается особенность так называемых «связанных векторов», действие которых относится к определенным точкам в пространстве массива твердых тел, и любое перемещение которых приводит к измененному действию вектора. Это особенно актуально при действии сил на тела, способные деформироваться и разрушаться, образуя разрывы, что наблюдается в результате длительно протекающих геолого-тектонических процессов [9,10,22].

Наблюдениями в реальных условиях месторождений тектонически активных регионов было установлено, что максимальная компонента поля напряжений, превосходящая вертикальную в 1,3-10 раз, действует в субгоризонтальной плоскости и в общем случае может менять свою ориентацию во времени при ведении горных работ [7,11,14,21].

Массивы скальных горных пород обладают свойствами с весьма широким диапазоном показателей, сочетающими в себе характеристики анизотропных твердых, как упругих, так и пластических тел, включая свойства ползучести. Эти массивы способны в своем объеме накапливать потенциальную энергию упругого деформирования с последующим высвобождением части этой энергии в виде хрупкого быстротекущего (динамического) разрушения. Одновременно массивы горных пород обладают способностью пластического формоизменения (текучести, ползучести), что в практике горно-добычных предприятий, при строительстве

гидротехнических и различных подземных сооружений в значимых масштабах проявляется в виде смещений пород, либо локальных вывалов, оседания кровли, смещения боков, пучения почвы выработок, горных ударов и.т.д. [5,8,9,14,18].

По результатам исследований процессов деформирования пород вокруг тоннеля диаметром 12,0 м, где коэффициент Пуассона в глубине вязко-пластического массива вне зоны влияния выработки оценивается величиной 0,2, а в зоне деформирования пород вблизи контура тоннеля коэффициент Пуассона увеличился до значений 0,350,40, в некоторых частях массива достиг 0,45 [21].

Для количественной оценки, используя метод конечных элементов, расчетная область массива пород вокруг выработки разбиваем на множество конечных элементов (рис. 1).

Рис. 1. Схема разбивки области массива на элементы с учетом проведенной подземной

выработки

В условиях проявления и воздействии сейсмотектонических процессов деформационные характеристики породного массива зачастую проявляют нелинейный характер, и это свойство нелинейности выражается через модуль сдвига и коэффициент демпфирования, величина которых значительно изменяется в зависимости от амплитуды деформации сдвига при циклических нагрузках [4,5,9].

При оценке устойчивости горных пород считается, что разрушение происходит в результате сдвига, а предельное состояние по площадке сдвига характеризуется законом Кулона

г„пр= ап tgф+C, (1) где ф - угол внутреннего трения пород; С - коэффициент сцепления горной породы; тппр - предельное сдвигающее напряжение по площадке скольжения.

В практике проектирования строительства подземных сооружений для оценки допустимого уровня напряжений или прочности широко используется коэффициент запаса устойчивости, определяемый как отношение предельного касательного напряжения к действующему на рассматриваемой площадке:

К= Тппр/ Тп,

Тп= ТтаСО$ ф, (3) где ТпПр=С+ tgф((<71+oz)/2- ттах sinф).

Для этого определим значения напряжений О х, О у, Т ху в различных точках массива окружающего выработку, как показано на рис. 2. Здесь схематично показано расположение расчетных точек в 3 ряда, по 12 точек в каждом ряду. Первый ряд расположен непосредственно по контуру слева от вертикальной оси выработки.

Второй ряд смещен от первого вглубь массива на расстояние 0,6 м, таким же образом проведен третий ряд точек.

По величине рассчитанного коэффициента устойчивости в каждой из 36 точек, построен график изменения коэффициента устойчивости (рис.3).

Как видно из графика, горная выработка оказывается неустойчивой в некоторых точках, где коэффициент устойчивости меньше 1,0. Затем в некоторой области вокруг выработки выполнено искусственное укрепление пород цементацией и для этого состояния определен коэффициент устойчивости в тех же точках массива с новыми параметрами.

Рис. 2. Схема расположения расчетных точек

Рис. 3. График значений коэффициента устойчивости в расчетных точках вокруг выработки

На рисунке 4 показан график значений коэффициента устойчивости в расчетных точках после цементации.

8 7

6

0 -I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Рис. 4. График изменения коэффициента устойчивости в расчетных точках вокруг выработки

после тампонажного упрочнения

Из сравнения полученных результатов (рис. 3) и (рис.4) можно отметить, что в

результате тампонажного упрочнения массива пород вокруг выработки (по графику

распределения значений коэффициента устойчивости по контуру) горная выработка

будет находиться в устойчивом состоянии.

Список литературы

1. Андрейко С.С. Современные проблемы науки и производства в области горного дела. - Пермь: Пермский. гос. техн. университет, 2010. - 338 с.

2. Баклашов И.В., Картозия Б.А., Шашенко А.Н., Борисов В.Н. Геомеханика. Т.2. Геомеханические процессы. М.: МГГУ, 2004. 249 с.

3. Гасанова Н.Ю. Особенности процессов деформирования откосов бортов глубоких карьеров, сложенных трещиноватыми скальными породами. // Проблемы науки, 2017. № 6 (19). С. 20-22. [Электронный ресурс]. Режим доступа: Шр://еИЬгагу.ги/11ет.азр?1а=29450683/ (дата обращения: 21.06.2018).

4. Гасанова Н.Ю. Оценка изменения во времени прочностных и деформационных свойств скальных породных массивов откосов глубоких карьеров.// Инновационная деятельность: теория и практика, 2016. № 6 (2). С. 37-43. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://elibrary.ru/item.asp?id=26723962 (дата обращения: 21.06.2018).

5. Гасанова Н.Ю., Салямова К.Д., Меликулов А.Д. Обоснование устойчивости и прочности массивов скальных пород как фактор управления естественными и техногенными рисками. //Анализ, прогноз и управление природными рисками в современном мире. Материалы Междунар. научно-практич. конференции «Геориск-2015». Том 2. М.: РУДН, 2015. С.82-88. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://elibrary.ru/item.asp?id=24779996/ (дата обращения: 21.06.2018).

6. Гасанова Н.Ю. Факторы повышения эффективности отработки глубоких карьеров. // Научный журнал, 2017, № 6(19). Том 1. С. 24-25. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://scientificmagazine.ru/images/PDF/19/Nauchnyj ^итт1-6-19-- 1.pdf; http://scientificpub1ication.com;http://e1ibrary.ru/item.asp?id=29333703(дата обращени я: 21.06.2018).

7. Гребенкин С.С., Павлыш В.Н., Самойлов В.Л., Петренко Ю.А. Управление состоянием массива. Донецк: ДонНТУ, 2010. 193 с.

8. ЗубковА.В. Геомеханика и геотехнология. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2000. 335с.

9. Исмаилов А.С., Меликулов А.Д., Садинов Ш.М., Султанов К.С., Салямова К.Д., Гасанова Н.Ю. Особенности процессов длительного деформирования массивов скальных пород и их мониторинг при отработке глубоких карьеров.// Проблемы недропользования, 2016. №3. С.18-23. DOI: 10.18454/2313-1586.2016.03.018.

10. Кузьмин Ю.О., Жуков В.С. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. Изд.2. М.: Горная книга, 2012. 264 с.

11. Сашурин А.Д. Сдвижение горных пород на рудниках черной металлургии. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 1999. 268 с.

12. Терещук Р.Н., Наумович А.В. Обеспечение устойчивости подготовительных выработок глубоких угольных шахт. Днепропетровск: Национальный горный ун-т, 2015. 134 с.

13. Шашенко А.Н., Сдвижкова Е.А., Гапеев С.М. Деформируемость и прочность массивов горных пород. Днепропетровск: Национальный горный университет, 2008.224 с.

14. Яковлев Л.В., Ермаков Н.И. Устойчивость бортов рудных карьеров при действии тектонических напряжений в массиве. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2006. 231 с.

15. Galvin J.M. Ground engineering - Principles and practices for underground coal mining. - New York - London: Springer International Publishing Switzerland, 2016. 684 pp. DOI: 10.1007/978-3-319-25005-2.

16. Gasanova N.Yu. Formation of the earthquake database for evaluation of their influence on the slope stability of deep quarries. - Moscow: European science, 2017. № 6 (28). -P.24-26. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://scientific-publication.com; http://elibrary.ru/item.asp?id=29366867. (дата обращения: 21.06.2018).

17. Hencher S. Practical rock mechanics. - Boca Raton London New York: CRC Press, Taylor & Francis Group, LLC, 2015. - 346 pp. URL www.crcpress.com -www.taylorandfrancis.com. (дата обращения: 21.06.2018).

18. Hudson J.A., Feng X.-T. Rock engineering risk. London-New York: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2015. 572 pp. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.crcpress.com - www.taylorandfrancis.com. (дата обращения: 21.06.2018).

19. Jaeger J.C., Cook N., Zimmerman R. Fundamentals of rock mechanics. 4th edition. Oxford: Blackwell Publishing Ltd, 2007. 475 pp. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.blackwellpublishing.com

20. Wilson A.G., ed. Approaches to geo-mathematical modelling. New tools for complexity science. - Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd, 2016. - 405 pp. [Электронный ресурс]. Режим доступа:www.wiley.com (дата обращения: 21.06.2018).

21. Wittke W. Rock mechanics based on an anisotropic jointed rock model. - Berlin: Wilhelm Ernst & Sohn, Verlag fur Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co., 2014. 875 pp. DOI 10.1002/978-3-433-60428-1; 10.1002/978-3-433-60431-1.

22. Zhu, H., Chen, M., Zhao, Y., & Niu, F. Stability assessment for underground excavations and key construction techniques. - Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2017. 157 pp. DOI: 10.1007/978-981-10-3011-6.