Оценка напряженно-деформированного состояния очистных камер при разработке Яковлевского месторождения

УДК 622.272

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОЧИСТНЫХ КАМЕР ПРИ РАЗРАБОТКЕ ЯКОВЛЕВСКОГО

МЕСТОРОЖДЕНИЯ

К.В. Созонов

Исследовано изменение напряженно-деформированного состояния рудного массива вокруг очистных камер полигональной формы при разработке Яковлевского месторождения богатых железных руд слоевой системой с закладкой выработанного пространства. Выявлены закономерности формирования зон предельного состояния рудного массива вокруг выработок и предложены рекомендации по безопасному ведению горных работ.

Ключевые слова: железорудное месторождение, моделирование, напряженно-деформированное состояние, устойчивость горных выработок.

Для увеличения производительности Яковлевского рудника при ведении горных работ в сложных гидрогеологических и горногеологических условиях необходимо обеспечить повышенный уровень технико-экономических показателей очистной выемки.

Для этого предложен вариант слоевой системы разработки с увеличенными размерами очистных камер полигональной формы. Параметры камер выбираются из условия обеспечения безопасности ведения горных работ на всех стадиях очистной выемки.

Для решения поставленной задачи исследовано напряженно-деформированное состояние рудного массива, вокруг очистных камер методом конечных элементов с использованием программного комплекса Simulia Abaqus.

Численное моделирование проходки выработок, отработки и закладки камер было рассмотрено в постановке плоской деформации. Реальный массив заменялся весомой конечной областью с линейными размерами 750 м в ширину и 200 м в высоту для исключения влияния граничных условий на распределение поля напряжений и деформаций вокруг выработок и камер. При этом массив задавался как сплошная среда. Расстояние от верхней грани до почвы выработок соответствовало размеру предохранительного рудного целика и составило 65 м. Граням модели запрещались смещения в перпендикулярных к ним направлениях.

Значения горизонтальных и вертикальных напряжений естественного напряженно-деформированного состояния массива составили соответственно оу = 7 МПа и ох = 4 МПа на отметке «известняки карбона -рудное тело». Данные значения вертикальных и горизонтальных напряжений приняты на основании проведенных расчетов напряженно-деформированного состояния массива в результате осушения первооче-

редного участка отработки на границе «известняки карбона - рудное тело»

[1,2, 3].

Руды Яковлевского месторождения обладают ограниченной пластичностью, вокруг выработок развиваются процессы упруго-пластической деформации пород, с образованием зон нелинейных деформаций [3, 4].

Минимальный геометрический размер плоского шестиузлового расчетного элемента на основании дискретизации расчетной области составил 0,25 метра на контуре выработки и максимальный - 30 метров на границе модели.

Упруго-пластическая модель базируется на условии прочности Кулона - Мора (условие предельного состояния), что дает приближенную с натурной оценку напряженно-деформированного состояния массива [5]:

Тс = С + аП,

где тс - наибольшее касательное напряжение на площадке сдвига, МПа; С - сцепление горных пород, МПа; оП - нормальные напряжения на площадке сдвига, МПа; р - угол внутреннего трения, град.

Вмещающий рудный массив представлен нелинейно-деформируемой изотропной средой с физико-механическими характеристиками железнослюдково-мартитовой руды. Физико-механические характеристики рудного массива и закладочного материала принимались по результатам лабораторных и натурных шахтных исследований, выполненных ВИОГЕМ и Горным университетом приведены в таблице [2].

Физико-механические свойства руды ^ и закладочного массива

Название материала Модуль дефор мации Е, МПа Коэффициент поперечных деформаций Удель ный вес р, МН/м3 Сцепление С, МПа Угол внутреннего трения ф, град

Железнослюдково-мартитовая руда

Низкой прочности 1300 0,26 0,034 0,4 28

Средней плотности 1920 0,26 0,035 1,4 36

Плотная 2230 0,24 0,036 4,3 38

Закладочный материал

Литая закладка 6000 0,26 0,019 2,84 28

Порядок проходки выработок и отработки камер показан на рис. 1.

Первоначально отрабатываются переходные камеры первого этажа, сечение которых аналогично традиционным заходкам слоевой системы разработки. После проходки ортов в камерах второго этажа начинается по-уступная отработка камер. Переход к отработке камер нижележащего эта-

жа происходит только после полной закладки камер второй очереди и набора нормативной прочности закладки.

,'-1400-

Рис. 1. Порядок отработки камер трапециевидной формы с шахматным расположением: 1-5 этапы ведения работ. Высота камер 16 метров

Результаты моделирования напряженно-деформированного состояния рудного массива рассчитаны для камер шириной 9,8 метров и высотой 12 и 16 метров и представлены на рис. 2 - 7.

иу-у

б

а

Рис. 2. Формирование зоны предельного состояния в рыхлой железнослюдково-мартитовой руде вокруг камер высотой 16 м: а - камеры второго этажа; б - камеры третьего этажа

I

•и

- _

б

Рис. 3. Формирование зоны предельного состояния в рыхлой железнослюдково-мартитовой руде вокруг камер высотой 12 м: а - камеры второго этажа; б - камеры третьего этажа

Г\ дШх ЛГ> б Л \щкг

Рис. 4. Формирование зоны предельного состояния в железнослюдково-мартитовой руде средней плотности вокруг камер высотой 16 м: а - камеры второго этажа; б - камеры третьего этажа

1 Л / Л'-* б 1 ^

Рис. 5. Формирование зоны предельного состояния в железнослюдково-мартитовой руде средней плотности вокруг камер высотой 12 м: а - камеры второго этажа; б - камеры третьего этажа

б

/ \~У \г2 УТЛг^

' \с/

Рис. 6. Формирование зоны предельного состояния в плотной железнослюдково-мартитовой руде вокруг камер высотой 16 м: а - камеры второго этажа; б - камеры третьего этажа

I

Рис. 7. Формирование зоны предельного состояния в плотной железнослюдково-мартитовой руде вокруг камер высотой 12 м: а - камеры второго этажа; б - камеры третьего этажа

На всех стадиях отработки рудного массива зоны предельного состояния наиболее интенсивно формируются в рыхлых железнослюдково-мартитовых рудах. Очередность и порядок проведения выработок влияет на конфигурацию и размеры этих зон.

б

По результатам моделирования процесса отработки камер высотой 16 и 12 метров отмечены такие явления:

- интенсивный рост и последующее смыкание зон предельного состояния и потеря несущей способности горной выработки в рыхлых железнослюдково-мартитовых рудах в виде вывала из кровли на высоту отрабатываемой камеры;

- локальные зоны предельного состояния вокруг выработки в железнослюдково-мартитовых рудах средней плотности с наибольшим линейным размером 1,5 м и 0,2...0,3 м

- локальные зоны предельного состояния вокруг выработки в плотных железнослюдково-мартитовых рудах с наибольшим линейным размером 0,35 м и 0,2 м.

- в железнослюдково-мартитовых рыхлых и средней плотности рудах разделительный целик находится в предельном состоянии, что говорит о большой вероятности проявления горного давления в виде вывалов и сползания руды внутрь камеры.

- локальные зоны предельного состояния в приконтурном массиве камер в плотных железнослюдково-мартитовых рудах с наибольшим линейным размером 0,8...1,0 м.

В железнослюдково-мартитовых плотных рудах подготовительные выработки и разделительные целики сохраняют свою устойчивость. При ведении горных работ в рыхлых и средней плотности рудах устойчивость подготовительных выработок и разделительных целиков предлагается обеспечить установкой упрочняющей стеклопластиковой анкерной крепи, повышающей несущую способность приконтурного массива.

На следующем этапе исследований планируется рассмотреть конструктивное оформление и организацию технологических процессов системы разработки с учетом полученных результатов моделирования напряженно-деформированного состояния рудного массива вокруг очистных камер.

Список литературы

1. Протосеня А.Г., Трушко В.Л. Прогноз устойчивости выработок в слабых железных рудах Яковлевского месторождения // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых: №4. 2013. С.1-13.

2. Трушко В.Л., Протосеня А.Г., Дашко Р.Э. Геомеханические и гидрогеологические проблемы освоения Яковлевского месторождения // Записки Горного института. 2010. Т. 185. С. 9-18.

3. Потемкин Д. А., Плащинский В.Ф. Параметры поля напряжений в рудно-кристаллическом массиве до начала ведения горных работ //

Записки Горного института, СПб.: РИЦ СПГГИ(ТУ), 2006. Т. 168. С. 123126.

4. Trushko V.L. Forecast of excavation stability in weak iron ore in terms of the yakovlevsky deposit / V.L. Trushko, A.G. Protosenya // Journal of Mining Science. Volume 49. Issue 4. July 2013. P. 557-566.

5. Дашко Р.Э. Инженерно-геологическая характеристика и оценка богатых железных руд Яковлевского рудника // Записки Горного института. СПб.:РИЦСПГГИ(ТУ). 2006. Т.168. С. 78-85.

Созонов Кирилл Владиславович, асп., ksozonov@,mail. ru, Россия, Сантк-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет

STRESS-STRAIN STATE ASSESSMENT OF STOPES DURING DEVELOPMENT

OF THE YAKOVLEVSKY DEPOSIT

K.V. Sozonov

Stress-strain change of rock ore around polygonal geometry stopes during slicing-and-filling development of the Yakovlevsky deposit of high-grade iron ore is investigated. Regularities of limit state zones around openings formation are revealed and recommendations to safety mining are proposed.

Key words: iron-ore deposit, simulation, stress-strain state, opening strength.

Sozonov Kirill Vladislavovich, Post Graduate Student, ksozonov@mail. ruRussia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University

Reference

1. Protosenja A.G., Trushko V.L. Prognoz ustojchivosti vyrabotok v slabyh zheleznyh rudah Jakovlevskogo mestorozhdenija. Fiziko-tehnicheskie problemy razrabotki poleznyh iskopaemyh: №4. 2013. S.1-13.

2. Trushko V.L., Protosenja A.G., Dashko R.Je. Geomehanicheskie i gidrogeologicheskie problemy osvoenija Jakovlevskogo mestorozhdenija. SPb. Zapiski Gornogo instituta. T. 185. 2010. S. 9-18.

3. Potemkin D.A., Plashhinskij V.F. Parametry polja naprjazhenij v rudno-kristallicheskom massive do nachala vedenija gornyh rabot // Zapiski Gornogo instituta, SPb.: RIC SPGGI(TU), 2006. T. 168. S. 123-126.

4. Trushko V.L. Forecast of excavation stability in weak iron ore in terms of the yakovlevsky deposit / V.L. Trushko, A.G. Protosenya // Journal of Mining Science. Volume 49. Issue 4. July 2013. P. 557-566.

5. Dashko R.Je. Inzhenerno-geologicheskaja harakteristika i ocenka bogatyh zheleznyh rud Jakovlevskogo rudnika // Zapiski Gornogo instituta. SPb.:RICSPGGI(TU). 2006. T.168. S. 78-85.