Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Прогноз сдвижений и деформаций подрабатываемых скальных массивов рудных месторождений с учетом их структурно-тектонических особенностей

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Прогноз сдвижений и деформаций подрабатываемых скальных массивов рудных месторождений с учетом их структурно-тектонических особенностей"

На правах рукописи

Шустов Денис Владимирович

ПРОГНОЗ СДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С УЧЕТОМ ИХ СТРУКТУРНО-ТЕКТОНИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ

Специальность 25.00.20 «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

- 7 и ЮН 2012

Пермь 2012

005045597

005045597

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кашников Юрий Александрович

Официальные оппоненты: Асанов Владимир Андреевич

доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией

ФГБУН Горный институт УрО РАН

Зотеев Олег Вадимович

доктор технических наук, профессор

зав. лабораторией

ФГБУН Институт горного дела УрО РАН

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Уральский

государственный горный университет»

Защита состоится «22» июня 2012 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 004.026.01 при ФГБУН Горный институт Уральского отделения РАН по адресу: 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а. Тел./факс +7 (342) 216-75-02. E-mail: bba@mi-perm.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУН Горный институт УрО РАН.

Автореферат разослан «21» мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного ^Jr ^

совета, к.г.-м.н., доцент y^t^n Бачурин Б.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Для современного этапа развития горнодобывающих отраслей черной и цветной металлургии характерно вовлечение в разработку месторождений со сложными горно-геологическими условиями, увеличение глубины и повышение интенсивности ведения горных работ на действующих рудниках. Возрастают масштабы воздействия горных работ на окружающую среду, увеличиваются размеры участков массива и земной поверхности, подверженных процессам сдвижения, в зоне подработки оказываются многие ответственные объекты. Все это приводит к повышению актуальности проблем, связанных с прогнозом напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, охраной зданий и инженерных сооружений от вредного влияния горных работ.

Многолетние инструментальные наблюдения и теоретические исследования, проведенные в ведущих научно-исследовательских институтах, таких как ВНИМИ, УНИПРОМЕДЬ, ИГД МЧМ, ВИОГЕМ и др., позволили решить большой круг вопросов, связанных с охраной сооружений от подработки. Определены основные схемы развития процесса сдвижения на рудных месторождениях, выполнены исследования по прогнозированию углов сдвижения, установлены условия устойчивого состояния земной поверхности, для отдельных рудных месторождений имеются нормативные документы по охране сооружений от подработки.

В то же время для предрасчета сдвижений и деформаций на рудных месторождениях наиболее часто используются эмпирические зависимости, пригодные в основном для решения узкого круга практических задач, а аналитические решения имеются только для выработок простой геометрии в изотропном массиве, что ограничивает их практическое использование. В связи с этим получили развитие численные методы в геомеханике. Исследование вопросов, касающихся практического применения численных методов для прогноза сдвижений и выбора мер охраны сооружений от подработки на рудных месторождениях, представляется актуальным и составляет основу настоящей диссертации.

Цель работы - разработка методических основ расчета сдвижений и деформаций подрабатываемых структурно неоднородных скальных массивов крутопадающих рудных месторождений.

Идея работы - использование модели скального массива, учитывающей допредельную и запредельную стадию деформирования по системам трещин в методе дискретных элементов для расчета параметров процесса сдвижения горных пород при разработке рудных месторождений.

Задачи исследований:

1. Проведение инструментальных наблюдений за сдвижением горных пород при разработке крутопадающих рудных месторождений, их анализ и обобщение.

2. Реализация модели среды с дилатансией, описывающей сдвижения горных пород по системам трещин в методе дискретных элементов.

3. Численное моделирование влияния различных факторов на процесс сдвижения скального трещиноватого массива.

4. Многовариантное численное моделирование отработки рудных месторождений и прогноз изменения параметров процесса сдвижения скального структурно-неоднородного массива и земной поверхности при отработке запасов руды на исследуемых месторождениях.

Методы исследований включали проведение и последующий анализ инструментальных наблюдений, аналитические и численные методы для моделирования процессов деформирования горных пород, статистическую обработку результатов измерений и расчетов.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Сдвижения земной поверхности и массива горных пород на рудных месторождениях, сложенных скальными структурно-неоднородными породами, носят дискретный пространственно-временной характер, выражающийся в возникновении концентрированных горизонтальных и вертикальных деформаций, активизирующихся в отдельные временные периоды.

2. Учет влияния трещиноватости на сдвижение массива скальных пород обеспечивается численной реализацией полной диаграммы деформирования блочного массива по системе трещин.

3. Геомеханическая дискретная модель скального структурно-неоднородного массива, позволяющая описывать большие деформации и дискретный характер процесса сдвижения.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом инструментальных наблюдений, использованием общепризнанных механических моделей горного массива, проведением проверочных тестовых расчетов, хорошей сходимостью рассчитанных и замеренных сдвижений для различных горнотехнических ситуаций.

Научная новизна работы:

1. Установлены закономерности распределения величин сдвижений и деформаций подрабатываемых скальных трещиноватых массивов рудных месторождений.

2. Разработана численная процедура реализации в методе дискретных элементов упруговязкопластической модели деформирования контакта с использованием полной диаграммы деформирования и критерия разрушения Джагера.

3. Обоснованы методические подходы, позволяющие описывать большие деформации при прогнозе параметров процесса сдвижения скальных трещиноватых крупномасштабных массивов.

Практическая значимость:

1. Экспериментально установлены угловые и линейные параметры процесса сдвижения горных пород и земной поверхности при разработке Тишинского и Риддер-Сокольного полиметаллических месторождений ОАО «КАЗЦИНК» Республики Казахстан.

2. Выявлены характер и степень влияния различных факторов (модуль упругости, расстояние между трещинами и угол их наклона, контактные характеристики трещин, исходное напряженное состояние) на величины сдвижений и деформаций подрабатываемого скального массива.

3. Осуществлен прогноз сдвижений и деформаций массива пород при отработке рудной залежи Тишинского месторождения до 20-го горизонта.

4. Математическим моделированием обоснована возможность практического применения искусственно созданной щели для управления сдвижением массива с целью защиты охраняемых сооружений на поверхности.

Реализация работы. Результаты данного диссертационного исследования использованы для прогноза сдвижений и деформаций и выбора мер охраны на Тишинском месторождении.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены на всероссийской конференции «Геомеханика в горном деле», проводимой в рамках III Уральского горнопромышленного форума (Екатеринбург, 2009 г.), международной конференции «Современные проблемы геомеханики, горного производства и недропользования» (Санкт-Петербург, 2009 г.), всероссийской конференции «Новые технологии в маркшейдерии и недропользовании» (Пермь, 2010 г.), научно-технических семинарах кафедры Маркшейдерского дела, геодезии и геоинформационных систем ПНИПУ.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 работ, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем работы и ее структура. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 139 страниц машинописного текста, включая 59 рисунков, 8 таблиц и список использованной литературы из 111 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Состояние изученности вопроса и задачи исследований

В настоящее время для прогноза параметров процесса сдвижения при отработке рудных месторождений широко используются методические подходы, разработанные в ведущих научно-исследовательских институтах бывшего Советского Союза, таких как ВНИМИ, УНИПРОМЕДЬ, ИГД МЧМ, ВИОГЕМ и др. Угловые параметры процесса сдвижения определяются из инструментальных наблюдений, методом аналогий или же на основании эмпирических зависимостей. Подробнее всего разработаны эмпирические формулы, которые связывают угловые и линейные параметры сдвижения с физико-механическими свойствами пород, а также со степенью подработанности

земной поверхности. Наиболее известные из них были получены М.А. Кузнецовым, А.Ф. Смирновым, А.Г. Шадриным, А.Г. Акимовым, Р.Ф. Крушати-ным, Ю.А. Кашниковым, В.А. Квочиным, Т.В. Лобановой, Г. Хрисчевым. Известны также методы прогноза углов разрыва с теоретических позиций на основе рассмотрения уравнения предельного равновесия по активной системе трещин (Ж.С. Ержанов, А.Ф. Смирнов, А.Г. Акимов, Хоек, Фергзон).

Теоретические методы расчета параметров процесса сдвижения при разработке рудных месторождений базируются на работах С.Г. Авершина, P.A. Муллера, М.А. Иофиса, Е. Литвинишина, В.Н. Земисева, в основе которых лежит известное дифференциальное уравнение сдвижения горных пород. В последующем А.Д. Сашурин, А.Б. Макаров, М.Д.Г. Саламон, Ф. Янтсои и ряд других исследователей получили решения, основанные на теории упругости и учитывающие особенности разработки рудных месторождений.

Численные методы решения краевых задач механики сплошной среды, в частности, метод конечных элементов (МКЭ), стали широко применяться с середины 50-х годов нашего столетия и быстро завоевали популярность во всех областях науки и техники, в том числе и в горном деле. Первые попытки использовать МКЭ для прогноза сдвижений массива горных пород с целью охраны сооружений от подработки отмечаются в работах Л. Мюллера и Г. Кратча. Серьезный вклад в развитие численных нелинейных моделей деформирования горных пород внесли О. Зенкевич, Р. Гудман, Г. Панде, В. Виттке, А.Б. Фадеев, А.Б. Барях, В.М. Серяков, О.В. Зотеев. Разработанные ими программы используют различные нелинейные модели массива, учитывают его блочное строение, слоистость, наличие двух систем трещин.

Большое разнообразие строения и свойств скального массива обусловило разработку специальных моделей деформирования именно скального массива, однако доведены до практического применения лишь несколько из них. Среди работ, позволяющих рассчитывать смещения крупномасштабных массивов, близкие к наблюдаемым на практике, можно выделить модели, разработанные О. Зенкевичем, Г. Панде, В. Виттке. В основе этих моделей лежит предположение о вязкопластическом характере деформаций, возникающих в подрабатываемом скальном массиве. В дальнейшем Ю.А. Кашниковым и С.Г. Ашихминым была усовершенствована модель деформирования по системам трещин, учетом полной диаграммы деформирования и была предпринята попытка учета особенностей деформирования трещиноватых скальных пород на допредельной стадии. Следует отметить, что аналогичные подходы с учетом допредельной и запредельной стадий деформирования слоистого соляного массива были представлены в работах A.A. Баряха.

Принципиально новым направлением в механике деформирования скальных трещиноватых структурно-неоднородных массивов является метод дискретных элементов (МДЭ).

Метод был первоначально применён Cundall в 1971 году для решения задач в механике горных пород. В настоящее время различные ответвления МДЭ в механике горных пород широко распространены за рубежом. При

этом основное внимание в применении метода дискретных элементов уделено расчетам тоннелей и склонов, а также проблемам течения жидкости в трещиноватых массивах (Long, Andersson, Endo, Robinson, Smith, Schwartz, Eisworth, Charlaix, Dershowitz, Tsang, Billaux, Cacas, Stratford).

В России метод дискретных элементов начал развиваться лишь в последние годы. Одними из первых для практических расчетов его применили Ю.М. Левкин и И.М. Иофис. Известны работы, посвященные исследованию метода дискретных элементов, применительно к сыпучим средам (Г.Н. Хан, A.A. Барях, E.H. Дьяченко, С.О. Дорофеенко; C.B. Клишин, В.А. Андронова, И.Г. Дик). При этом до сих пор в России МДЭ не применялся для расчета сдвижений и деформаций подрабатываемых массивов рудных месторождений.

Инструментальные наблюдения за сдвижением горных пород на Тишинском и Риддер-Сокольном месторождениях Республики Казахстан

Инструментальные наблюдения за сдвижениями горных пород Тишинского месторождения выполнялись специалистами кафедры МДГиГИС ПНИПУ в период с 1987 по 2009 г., при этом в 2008 и 2009 гг. при непосредственном участии автора.

Тишинское свинцово-цинковое месторождение представлено богатыми, почти вертикально залегающими (75-85°) рудными телами, составляющими основную и северо-западную залежи. Большая часть руды сосредоточена в основной залежи, а преобладающее распространение в ней имеют прожилко-во-вкрапленные руды. Мощность рудной зоны достигает 200 м, а размеры по простиранию до 2 км. Толща вмещающих пород имеет согласное с рудным телом падение и состоит из карбонато-серицито-кварцевых, карбонато-серицитовых, хлорито-серицито-кварцевых и других сланцев. Углы падения плоскостей рассланцевания крутые (70-85°), азимут падения колеблется от 320-330 до 20-30°, т.е. сланцеватость пород висячего бока имеет падение в выработанное пространство и в значительной степени определяет развитие процессов сдвижения. На месторождении выделено восемь систем трещин, охватывающих весь диапазон углов и азимутов падения. Наиболее трещиноватыми породами являются алевролиты. Трещины в них образуют три хорошо выраженные системы: пологие с азимутом падения от 130 до 250°, крутопадающие (60-80°) с азимутами 150-185°, крутопадающие на северо-запад с азимутами 300—320° и углами падения 67—75°. Таким образом, вмещающие породы месторождения являются структурно неоднородными. Предел прочности на одноосное сжатие колеблется от 35-200 МПа, при изменении предела прочности на растяжение - от 3 до 26 МПа.

Для оценки напряженного состояния нижних горизонтов в 2002-2003 гг. институтами ВНИИЦВЕТМЕТ и ПГТУ на Тишинском руднике был выполнен комплекс работ по определению параметров естественного поля напряжений на уровне 11-го, 14-го и 16-го горизонтов. Эксперименты показали,

что на уровне 11-16-го горизонтов тектоническая составляющая поля напряжений равна 12-14 МПа.

Наблюдательная станция Тишинского месторождения состоит из восьми профильных линий, расположенных на южном, северо-восточном и западном флангах месторождения. Наиболее интенсивное развитие процессов сдвижения наблюдается на южном фланге месторождения, контролируемых с помощью поверхностной линии реперов и 5 подземных профильных линий (рис. 1).

Рис. 1. Наблюдательная станция за сдвижением горных пород на южном фланге Тишинского месторождения

Подземные профильные линии расположены в квершлагах к шахте Тишинская на 6-м, 7-м и 10-м горизонтах, в квершлаге к вентиляционному стволу на 11-м горизонте и в выработке наклонного съезда.

Все линии расположены приблизительно в одной вертикальной плоскости, что позволяет проследить развитие деформационных процессов от 11-го горизонта до земной поверхности. Имеющаяся наблюдательная станция позволила выявить основные закономерности развития процессов сдвижения горных пород и земной поверхности на месторождении. Результаты инструментальных наблюдений показывают, что процесс сдвижения горных пород развивается весьма интенсивно, несмотря на применение систем разработки с закладкой.

Пространственный характер распределения сдвижений и деформаций при разработке Тишинского месторождения является дискретным. В качестве примера проявления дискретного характера деформирования на рис. 2 представлены графики горизонтальных деформаций на 6-м горизонте. Из графиков видно, что на 2 интервалах (17-18 и 11-12) имеют место пиковые значения деформаций, что подтверждает предположение о пространственной дискретности процесса. При этом проявление деформаций во времени также происходит дискретно. Это можно видеть на рис. 2 на интервале реперов 17-18, где на 1995 г. деформации имели плавный характер распределения, а к 2000 г. произошел резкий скачок деформаций.

О 50 100 Ь'м 150 200 250

Рис. 2. Графики горизонтальных деформаций по профильным линиям реперов 6-го горизонта Тишинского рудника

В целом на месторождении процесс сдвижения развивается в виде развития концентрированных деформаций растяжения (см. рис. 2) и смещения по ним заколовшихся участков в выработанное пространство. Следует отметить, что наклоны на данных участках также превышают наклоны соседних

участков, но при этом они в 2-4 раза меньше горизонтальных деформаций. В настоящее время в массиве пород южного фланга устойчиво сформировались три поверхности сдвижения и начала формироваться четвертая поверхность, практически выходящая на земную поверхность в район устья ствола «Вентиляционный». Отношение горизонтальных сдвижений к оседаниям (£/г|) заметно увеличивается при удалении от рудного тела. На 10-м и 11-м горизонтах горизонтальные сдвижения в десятки раз превосходят оседания, т.е. происходит интенсивная разгрузка пород от напряжений.

Анализ развития концентрированных горизонтальных деформаций показывает, что в случае установившегося процесса сдвижения их развитие имеет линейный характер. Достаточно четко прослеживается следующая зависимость: чем ближе интервал реперов, на котором проявились концентрированные деформации к отработанному рудному телу, тем выше скорость развития установившихся деформаций (рис. 3).

■ РЭШ АУльбгшская • Заладная-Вентилящюнная

70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 Л, м

Рис. 3. Аппроксимация скорости развития установившихся горизонтальных деформаций интервалов по поверхностям скольжения в бортах подрабатываемого Тишинского карьера

Таким образом, результаты инструментальных наблюдений позволили подтвердить первое защищаемое положение: сдвижения земной поверхности и массива горных пород на рудных месторождениях, сложенных скальными структурно-неоднородными породами, носят дискретный пространственно-временной характер, выражающийся в возникновении концентрированных горизонтальных и вертикальных деформаций, активизирующихся в отдельные временные периоды.

Вертикальные стволы «Шахта №3» и «Вентиляционный» Риддер-Сокольного месторождения расположены в непосредственной близости от подрабатываемого борта Андреевского карьера (рис. 4). В породах борта имеются три выраженные системы трещин. Одна падает под углом 10-15° в сторону, противоположную борту карьера (Т1). Другая система (Т2) падает

под углом 80-85° в карьер. Однако данная система трещин не является сплошной и выдержанной. Третья система располагается вертикально.

Для защиты стволов от подработки институтом Казгипроцветмет был построен предохранительный целик под углами сдвижения 65°.

Серия инструментальных наблюдений 1990 г. зафиксировала зону концентрации горизонтальных деформаций растяжения в непосредственной близости от стволов. В этих условиях для защиты стволов и околоствольных сооружений и сокращения потерь руды ПГТУ (Ю.А. Кашников) предложил использовать управление деформированием подрабатываемого массива путем создания вблизи стволов глубокой щели (рис. 4). Создание щели было закончено в октябре 1990 г.

Ш*. вент.

JTP- Вент, канап

Разрезная щель

обрушенные породы

-наличие щели

- отсутствие щели

- отработка

-1 очереди целика'

- 2 очереди целика

1 очередь 1 отработки .целика

Рис. 4. Разрез по линии реперов Шх. 3 Риддер-Сокольного месторождения и расчетные горизонтальные деформации земной поверхности в районе стволов «Вентиляционный» и «Шх. 3»

Инструментальные наблюдения по реперам наблюдательной станции уже в июне 1991 г. зафиксировали аномальность в развитии процесса сдвижения, вызванную воздействием щели. Начиная с 1991 г. мульда оседания в районе промплощадки, т.е. за отрезной щелью, приобрела выраженный плавный характер, а горизонтальные деформации, начиная с интервала 7-8, закономерно увеличиваются в сторону карьера.

11

Результаты наблюдений говорят о том, что щель выполнила свои функции и эксперимент по управлению процессом сдвижения дал положительные результаты. Создание отрезной щели с целью охраны стволов от подработки позволило расконсервировать значительный объем руды из предохранительного целика без ущерба для охраняемых объектов.

После начала отработки панели №68, расположенной в пределах предохранительного целика, возобновился дальнейший рост деформаций интервалов, приуроченных к щели. Граница зоны опасных деформаций подвинулась с 1991 г. на 20-25 м в сторону стволов и оказалась приуроченной к отрезной щели, т.е. сразу после создания щели она разгрузила соответствующий участок борта карьера, а спустя 5 лет после отработки панели №68 сконцентрировала на себе деформации массива горных пород.

Численное моделирование влияния структурно-тектонических особенностей скального массива на параметры процесса сдвижения

Для расчета сдвижений скального массива реализована упруговязкопла-стическая модель деформирования контактов по системам трещин на допредельной и запредельной стадиях с применением критерия разрушения Джа-гера в программном комплексе метода дискретных элементов «ЗВЕС». Свойства контакта в упругой зоне задаются коэффициентами нормальной и касательной жесткости. Для описания поведения контакта между трещинами была реализована и внедрена в программный продукт модель, учитывающая полную диаграмму деформирования (рис. 5).

Рис. 5. Полная диаграмма деформирования по контакту скальных пород

В настоящее время разработано достаточно много различных критериев разрушения горных пород. Наиболее простым из них в плане параметрического обеспечения и вместе с тем достаточно точно описывающим прочность контакта горных пород является критерий Джагера:

xres = ап ■ гап(фс) + сс [ 1 - ехр(- b а,,)], где b - [tan( фд. + 1ц) - tan( фс)] / с с- о„ - нормальное к плоскости контакта напряжение; фс, Сс - угол внутреннего трения и сцепление породы; ф, - угол внутреннего трения поверхности раздела; г» - угол дилатансии при о„ = 0.

При о„ = 0 критерий Джагера имеет вид tres = а„ • tan(фс), а при о„—> переходит в xres = о„ - tan((pG)+ сс, т.е. предполагается, что при высоких нормальных напряжениях происходит полное смыкание стенок и прочность поверхности раздела соответствует прочности ненарушенной породы.

Модель была реализована в программе путем создания пользовательской библиотеки (*.dll).

Корректность работы разработанной модели проверялась путем решения элементарной задачи относительного сдвига двух параллелепипедов, имитирующих образцы горной породы, разделенных трещиной. Нагружение производилось нормальными и касательными к плоскости контакта напряжениями.

6, мм

Рис. 6. Рассчитанные графики изменения касательных напряжений от перемещений по контакту

По результатам расчетов было построено семейство графиков, характеризующих изменение касательных напряжений в процессе сдвига одного образца относительно другого для разных случаев нагружения нормальными к плоскости контакта напряжениями (рис. 6). Расчетные кривые накладывались на графики, полученные П. Ербаном (Германия) в результате испытаний для следующих значений физико-механических свойств: Е = 55 ООО МПа; V = 0,24; у = 0,022 МН/м3; г0 = 20; фс = 36,5°; сс = = 1,35 МПа; ф, = 36,5°; % = 90 м-1; 8р = 1,57 мм. Как видно из графиков,

13

реализованная модель достаточно достоверно описывает экспериментальные данные.

Для выявления характера и степени влияния различных факторов на процесс сдвижения скального массива был проведен ряд тестовых расчетов на примере строительного котлована, пройденного на глубину 25 м. Расчетная схема представлена на рис. 7. Массив разбит двумя системами трещин. Для уменьшения времени расчета трещинами разбивалась только та часть модели, сдвижения которой наиболее интересны для анализа. Откосу задавался коэффициент запаса устойчивости при помощи дополнительных анкерных сил. В этом случае массив находится в устойчивом состоянии и деформируется на допредельной стадии.

Рис. 7. Схема строительного котлована (а) и вектора смещений массива в первом расчетном варианте (б)

Следует отметить, что аналогичная схема для расчета методом конечных элементов использовалась в работах С.Г. Ашихмина и П. Ербана, поэтому данная задача является также и тестовой для определения правильности реализации и поведения данной модели на допредельной стадии деформирования. Кроме того, основные качественные результаты, позволяющие выявить влияние модуля упругости, расстояния между трещинами и угла их наклона, контактных характеристик трещин, исходного напряженного состояния, являются основополагающими для анализа процессов сдвижения земной поверхности при разработке мощных крутопадающих рудных месторождений.

Всего было просчитано 19 вариантов сочетаний физико-механических и структурных свойств массива.

На рис. 7 показаны векторы перемещений для 1-го расчетного варианта, когда прибортовой массив имеет коэффициент запаса устойчивости 1,4 и не переходит в запредельное состояние. Направленность векторов соответствует опыту инструментальных наблюдений: увеличение оседаний и горизонталь-

ных сдвижений при приближении к выемке, при этом величины горизонтальных сдвижений превышают оседания. На удалении от границы отработки векторы сдвижений выполаживаются и затухают по абсолютной величине.

На рис. 8 показан вид полуразрушенного котлована после потери устойчивости. В данном примере сходимость процесса не была достигнута, сдвижения продолжались, а решение было остановлено принудительно, когда результат был ясен. Сдвижения происходят по системам трещин и превышают величину 2 м. Данный рисунок показателен в плане возможности получения больших деформаций в МДЭ, в отличие от МКЭ.

На рис. 9, а показано влияние угла падения трещин на сдвижение массива в допредельной стадии. Также на рис. 9 показаны графики горизонтальных сдвижений и оседаний земной поверхности. За опорную точку принята точка, расположенная на удалении от выемки, где сдвижения практически отсутствуют.

Из рисунков видно, что наибольшие сдвижения наблюдаются при угле падения системы трещин 45°. При увеличении и уменьшении угла падения систем трещин сдвижения уменьшаются. При этом уменьшение горизонтальных сдвижений не столь существенно, как оседаний. Горизонтальные сдвижения на поверхности превосходят оседания при приближении к границе выемки. На удалении от выемки оседания имеют большие величины по сравнению с горизонтальными сдвижениями.

При изменении расстояния между трещинами, как и следовало ожидать, сдвижения также изменяются - при уменьшении расстояния сдвижения возрастают (рис. 9, б), что соответствует механизму деформирования трещиноватого массива.

Влияние напряженного состояния массива на величины горизонтальных и вертикальных сдвижений массива до настоящего времени является слабо изученным. В рамках данной работы рассматривалось 3 варианта напряженного состояния: поле напряжений, определяемое гипотезой Динника; равнокомпонентное поле напряжений; тектоническое поле напряжений с тектонической добавкой, равной у Н (1 МПа). Расчеты показали следующие результаты: при увеличении горизонтальной компоненты поля напряжений увеличиваются горизонтальные смещения и наряду с этим уменьшаются оседания, что соответствует опыту инструментальных наблюдений за сдвижением горных пород при разработке рудных месторождений. Связано это с ростом горизонтальной разгрузки массива в сторону выработанного пространства.

Рис. 8. Сдвижение массива в запредельной стадии деформирования

Масштаб сдвижений

Рис. 9. Влияние угла падения системы трещин (а) и расстояния между трещинами (б) на сдвижения откоса

с/= 2.5

Установлено, что учет допредельной стадии деформирования скальных пород по системам трещин оказывает существенное влияние на величины сдвижений массива. При этом величины сдвижений и деформаций массива, полученные в допредельной стадии деформирования, имеют практически одинаковые значения как в методе конечных элементов, так и в методе дискретных элементов. Однако величины сдвижений при учете запредельной стадии деформирования в МДЭ существенно выше, чем в МКЭ.

Для расчета сдвижений земной поверхности и массива горных пород на месторождениях, сложенных скальными трещиноватыми породами, следует использовать численную реализацию полной диаграммы деформирования массива по системе трещин. Этим подтверждается второе защищаемое положение. Целесообразно применение критерия разрушения Джагера, так как в нем используются традиционные характеристики прочности горных пород, получаемые при инженерно-геологических изысканиях.

Практическое применение результатов исследований

Степень пригодности любых модельных представлений для практического применения определяется соответствием расчетных параметров замеренным в натуре величинам. Применительно к южному флангу Тишинского месторождения в качестве замеренных величин выступают значения оседаний и горизонтальных сдвижений реперов, замеренных на комплексной наблюдательной станции в районе ствола «Вентиляционный» (профильная линия «Шх. РЭШ»), на 6-м, 7-м и 10-м горизонтах Тишинского рудника.

Для анализа напряженно-деформированного состояния массива были разработаны конечно-элементная и дискретно-элементная модели. Основное назначение выполненных расчетов состоит в калибровке параметров реализованной модели деформирования горных пород и общем анализе напряженного состояния массива. Для калибровки модели использовались результаты наблюдений 2008 и 2009 гг.

В расчетах было получено преимущественное развитие горизонтальных сдвижений по сравнению с оседаниями, что есть прямое следствие высоких горизонтальных напряжений, действующих в массиве Тишинского месторождения. При этом в расчетах использовались параметры естественного поля напряжений, определенные прямыми шахтными экспериментами, что повышает достоверность полученных выводов и рекомендаций.

Установлено, что использованная модель деформирования скального массива с учетом допредельной и запредельной стадий деформирования по системам трещин, реализованная в МКЭ, хорошо работает в части мульды сдвижения, ограниченной углом сдвижения. В части мульды, определяемой углом сдвижения и углом обрушения, т.е. там, где сосредоточены наиболее опасные для подрабатываемых объектов деформации, она дает исключительно заниженные значения оседаний и горизонтальных сдвижений и, соответственно, горизонтальных и вертикальных деформаций (рис. 10).

В связи с этим для прогноза сдвижений в этой части мульды сдвижения рекомендуется использовать метод дискретных элементов. В целом метод дискретных элементов с использованием реализованной геомеханической модели среды с дилатансией дает результаты в 2-5 раз более достоверные при сравнении с измеренными величинами сдвижений в мульде, чем метод конечных элементов с аналогичной геомеханической моделью (таблица).

Этим обосновывается третье защищаемое положение.

1600 1200 800 400

о

-400 -800 -1200 -1600 -2000

—•— гор.сдв. —■—оседания ---расч.сдв.МКЭ -расч.осед. МКЭ - - расч. сдв. МДЭ —— расч.осед.МДЭ —и - прогн.сдвЛ1ДЭ —|— прогн.осед.МДЭ

~~~~~~~—.

\

50

100

150 /., м

6-й горизонт

200

250

300

400

200

-200

-400

-600

—•— гор.сдв.

—■— оседания

---расч.сдв.МКЭ

^ « -

-расч.осед.МКЭ

расч.сдв.МДЭ .-'У**

—расч.осед.МДЭ —(-- прогн.сдв.МДЭ -------

^ГСГ— •—"

——

50

100

150

м

Рис. 10. Сравнение расчетных и замеренных сдвижений на профильных линиях на поверхности и на 6-м горизонте Тишинского рудника

Среднеквадратические отклонения рассчитанных величин сдвижений от замеренных

Профильная линия СКО МДЭ, мм/% СКО МКЭ, мм/%

гориз. сдвиж. оседания гориз. сдвиж. оседания

Поверхность 135/25 92/20 610/114 379/84

6-й горизонт 59/22 89/46 157/58 250/129

7-й горизонт 72/45 42/84 152/94 66/134

10-й горизонт 23/20 19/362 76/66 24/466

Целью последующих расчетов являлось определение прироста сдвижений и деформаций относительно существующего уровня при дальнейшей отработке запасов Тишинского рудника. В этой связи на основе разработанной модели производился расчет дополнительных сдвижений и деформаций при выемке руды до 20-го горизонта. Использовался как МКЭ, так и МДЭ. Результаты расчета показали практически равные величины прироста оседаний по обоим методам, однако МДЭ дал существенно большие величины прироста горизонтальных сдвижений, особенно выше 9-го горизонта (рис. 11). Связано это с незатухающим деформированием борта карьера при расчете методом дискретных элементов.

■ растет МКЭ

-расчет МДЭ

800

400

200

-200

//

(/

V--6 —-в-гет

----- У / У* /X /»У --10 к>1 --14 »1

— — — — — ж ' _____ __12 са

•

-100 0 100 200

Прирост оседаний, мм

100 200 300 400 500 Прирост гор. сдвижений, мм

Рис. 11. Прирост горизонтальных сдвижений и оседаний по оси ствола «Вентиляционный» при отработке руды до 20-го горизонта

Результаты расчетов показывают несущественный прирост сдвижений в районе ствола «Вентиляционный». Так, при отработке руды до 20-го горизонта прирост оседаний земной поверхности в районе ствола составит: при расчете методом дискретных элементов Дг| = 240 мм; горизонтальных сдвижений - = 670 мм и при расчете методом конечных элементов Дг| = 270 мм, Д£, = 390 мм. Как было доказано ранее, МДЭ дает более достоверные результаты, и опираться стоит на результаты, полученные этим методом расчета.

Прирост горизонтальных деформаций на земной поверхности в районе ствола составляет 0,2-0,7 мм/м. Если учесть, что в настоящее время горизонтальные деформации в районе ствола равны 0,5-1,0 мм/м, то такой прирост приведет к возникновению деформаций земной поверхности 0,7-1,7 мм/м.

Такие деформации земной поверхности могут привести к возникновению опасных деформаций крепи ствола (для бетонной крепи опасными считаются горизонтальные деформации 0,3 мм/м). Несмотря на то что данные величины деформаций могут превысить допустимые значения для подрабатываемых объектов значения, при своевременном контроле их развития и применении конструктивных мер охраны ствола они не должны привести к выводу ствола шахты и сооружений подъемного комплекса из эксплуатации. На основе реализованного в программном комплексе ЗБЕС алгоритма учета деформирования по системам трещин в допредельной и запредельной стадиях выполнены проверочные расчеты возможности управления сдвижениями массива созданием искусственной щели на рудных месторождениях.

Задачей настоящих исследований явилось численное моделирование процессов сдвижения горных пород при наличии в борту подрабатываемого карьера отрезной щели. Щель моделировалась более густой сеткой трещин с ослабленными прочностными свойствами. Результаты расчетов представлены на рис. 4. Действие щели сказывается уже при отработке панели П68. Из рисунков видно, что в районе ствола «Вентиляционный» при создании щели значительно уменьшаются горизонтальные деформации, имея пиковые значения на уровне самой щели. Так, горизонтальные деформации в районе ствола после отработки первой очереди целика в результате воздействия щели уменьшились с 2,3 до 0,8 мм/м. При этом в районе щели наблюдается мощная концентрация горизонтальных деформаций, которая на поверхности составляет свыше 4 мм/м. Расчеты хорошо подтверждают разгрузочную функцию щели. Таким образом установлено, что данная мера эффективна для охраны ответственных сооружений, расположенных вблизи подрабатываемых бортов карьеров, а метод дискретных элементов пригоден для выполнения подобного вида расчетов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе рассмотрен круг вопросов, касающихся применения методов конечных и дискретных элементов для прогноза сдвижений и деформаций подрабатываемых скальных массивов рудных месторождений с целью выбора мер охраны объектов от вредного влияния горных работ, обеспечения полноты и эффективности отработки запасов.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Инструментальными наблюдениями установлено, что при разработке Тишинского и Риддер-Сокольного месторождений процесс сдвижения развивается дискретно как во времени, так и в пространстве. На месторождении образуются зоны провалов, трещин, опасных деформаций и плавных сдвижений.

2. Для выяснения характера и степени влияния упругих и прочностных свойств массива и трещин на величины и характер сдвижений подрабатываемого массива был разработан и реализован в программе 30ЕС алгоритм учета деформирования по системам трещин в допредельной и запредельной стадиях и решена тестовая задача - расчет сдвижений и деформаций при создании строительного котлована в трещиноватом скальном массиве. Установлено, что для расчета сдвижений земной поверхности и массива горных пород следует использовать численную реализацию полной диаграммы деформирования массива по системам трещин с критерием разрушения Джагера, так как в нем используются традиционные характеристики прочности горных пород, получаемые при геомеханических испытаниях.

3. Проведены расчеты сдвижений земной поверхности и горных пород на Тишинском руднике методом конечных элементов и методом дискретных элементов. Установлено, что использованная модель деформирования скального массива с учетом допредельной и запредельной стадий деформирования по системам трещин, реализованная в МКЭ, хорошо работает в части мульды сдвижения, ограниченной углом сдвижения. В части мульды, определяемой углом сдвижения и углом обрушения, т.е. там, где сосредоточены наиболее опасные для подрабатываемых объектов деформаци, она дает исключительно заниженные значения оседаний и горизонтальных сдвижений и, соответственно, горизонтальных и вертикальных деформаций. В связи с этим для прогноза сдвижений в этой части мульды сдвижения рекомендуется использовать метод дискретных элементов. В целом метод дискретных элементов с применением реализованной геомеханической модели среды с дилатансией дает результаты в 2-5 раз более достоверные при сравнении с измеренными величинами сдвижений в мульде, чем метод конечных элементов с аналогичной геомеханической моделью.

4. На основе реализованного в программном комплексе 30ЕС алгоритма учета деформирования по системам трещин в допредельной и запредельной стадиях был выполнен прогноз сдвижений и деформаций горного массива и земной поверхности при отработке Тишинского месторождения до 20-го горизонта. Установлено, что отработка залежи на Тишинском месторождении от 14-го до 20-го горизонтов не приведет к появлению деформаций ствола «Вентиляционный», которые могут вызвать нарушение его нормальной эксплуатации.

5. На основе реализованного в программном комплексе ЗБЕС алгоритма учета деформирования по системам трещин в допредельной и запредельной стадиях выполнены проверочные расчеты возможности управления сдвижением массива созданием искусственной щели на рудных месторождениях. Выявлено, что данная мера эффективна для охраны ответственных сооружений, расположенных вблизи подрабатываемых бортов карьеров, а метод дискретных элементов пригоден для выполнения подобного вида расчетов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

а) издания, рекомендованные ВАК РФ:

1. Кашников, Ю.А. Управление процессом сдвижения горных пород при подработке борта карьера / Ю.А. Кашников, С.Г. Ашихмин, Д.В. Шустов // Маркшейдерский вестник. - 2009. - № 6. - С. 47-53.

2. Геомеханическая оценка состояния ответственных сооружений Тишинского рудника при отработке глубоких горизонтов / Ю.А. Кашников, С.Г. Ашихмин, Д.В. Шустов, А.Е. Фандеев, А.И. Ананин // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2010. - №2. -С. 43-52.

3. Использование данных о напряженно-деформированном состоянии горного массива при решении горно-технических задач на примере Тишинского рудника / Ю.А. Кашников, С.Г. Ашихмин, Д.В. Шустов, А.Е. Фандеев // Записки горного института. - СПб., 2010. - С. 46-50.

4. Кашников, Ю.А. Прогноз сдвижений горных пород и земной поверхности при разработке рудных месторождений / Ю.А. Кашников, С.Г. Ашихмин, Д.В. Шустов // Маркшейдерский вестник. - 2010. - №4. - С. 61-62.

5. Шустов, Д.В. Анализ влияния структурных особенностей и напряженного состояния массива на развитие деформационных процессов на основе метода дискретных элементов / Д.В. Шустов // Маркшейдерский вестник. -2012.-№1.~ С. 48-53.

б) другие издания:

1. Шустов, Д.В. К вопросу безопасной подработки эксплуатации шахтных стволов в зоне сдвижения на Тишинском руднике / Д.В. Шустов, Д.М. Шадрин // Научные исследования и инновации. - 2010. - Т. 4, № 2. -С. 47-50.

Подписано в печать 16.05.2012 г. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,3. Тираж 100 экз. Заказ № 1430/2012 Издательство Пермского национального исследовательского политехнического университета Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 29, к. 113. Тел. (342)219-80-33

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Шустов, Денис Владимирович

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Методические подходы к прогнозу параметров процесса сдвижения на рудных месторождениях.

1.2 Эмпирические и полуэмпирические методы расчета сдвижений. подрабатываемого массива.

1.3 Теоретические методы расчета сдвижений и деформаций.

1.4 Численные методы расчета сдвижений и деформацийподрабатываемых массивов.

1.5. Цели и задачи исследования.

2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА СДВИЖЕНИЕМГОРНЫХ ПОРОД НА ТИШИНСКОМ И РИДДЕР-СОКОЛЬНОМ

МЕСТОРОЖДЕНИЯХ.

2.1. Сдвижение горных пород и земной поверхности при отработке Тишинского месторождения.

2.1.1. Краткая геологическая характеристика Тишинского месторождения.

2.1.2. Исходное напряженное состояние массива горных породТишинского месторождения.

2.1.3. Состояние наблюдательной станции в породах южного фланга месторождения.

2.1.4. Характер развития деформационных процессов по данным инструментальных наблюдений 1988-2009гг.

2.1.6. Развитие процессов сдвижения на северо-восточном фланге месторождения.

2.1.7. Развитие процессов сдвижения на западном флангеместорождения

2.1.8. Развитие концентраций горизонтальных деформаций на месторождении.

2.2. Сдвижение горных пород и земной поверхности в районе шахт №3 и "Вентиляционная".

2.2.¡.Краткая геологическая характеристика Риддер-Сокольного месторождения.

2.2.2. Развитие процессов сдвижения на месторождении.

ВЫВОДЫ.

3 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРНО-ТЕКТОНИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ СКАЛЬНОГО МАССИВА НА ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ.

3.1 Аналитическая часть модели. Выбор критерия разрушения.

3.2 Реализация модели в методе дискретных элементов.

3.3. Влияние различных факторов на величины сдвижений подрабатываемого скального массива рудных месторождений.

ВЫВОДЫ.

4.1. Расчеты сдвижений и деформаций массива горных пород на южном фланге Тишинского свинцово-цинкового месторождения.

4.1.1. Моделирование процесса сдвижения на современном этапеотработки месторождения.

4.1.2. Прогноз параметров процесса сдвижения горных пород приотработке запасов до 20-го горизонта.

4.2. Моделирование развития процессов сдвижения горных пород в районе стволов шахт №3 и «Вентиляционная» Риддер-Сокольного месторождения

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Прогноз сдвижений и деформаций подрабатываемых скальных массивов рудных месторождений с учетом их структурно-тектонических особенностей"

Для современного этапа развития горнодобывающих отраслей черной и цветной металлургии характерно вовлечение в разработку месторождений со сложными горно-геологическими условиями, увеличение глубины и повышение интенсивности ведения горных работ на действующих рудниках. Возрастают масштабы воздействия горных работ на окружающую среду, увеличиваются размеры участков массива и земной поверхности, подверженных процессам сдвижения, в зоне подработки оказываются многие ответственные объекты. Все это приводит к повышению актуальности проблем, связанных с прогнозом напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, охраной зданий и инженерных сооружений от вредного влияния горных работ.

Многолетние инструментальные наблюдения и теоретические исследования, проведенные в ведущих научно-исследовательских институтах, таких как ВНИМИ, УНИПРОМЕДЬ, ИГД МЧМ, ВИОГЕМ и др., позволили решить большой круг вопросов, связанных с охраной сооружений от подработки. Определены основные схемы развития процесса сдвижения на рудных месторождениях, выполнены исследования по прогнозированию углов сдвижения, установлены условия устойчивого состояния земной поверхности, для отдельных рудных месторождений имеются нормативные документы по охране сооружений от подработки.

В то же время для предрасчета сдвижений и деформаций на рудных месторождениях наиболее часто используются эмпирические зависимости, пригодные в основном для решения узкого круга «фактических задач, а аналитические решения имеются только для выработок простой геометрии в изотропном массиве, что ограничивает их практическое использование. В этих условиях получили развитие численные методы решения геомеханических задач. Исследование вопросов, касающихся практического применения численных методов для прогноза сдвижений и выбора мер охраны сооружений от подработки на рудных месторождениях представляется актуальным и оставляет основу настоящей диссертации.

Цель работы - разработка методических основ расчета сдвижений и деформаций подрабатываемых структурно неоднородных скальных массивов крутопадающих рудных месторождений.

Идея работы - использование модели скального массива, учитывающей допредельную и запредельную стадию деформирования по системам трещин в методе дискретных элементов для расчета параметров процесса сдвижения горных пород при разработке рудных месторождений.

Задачи исследований:

1. Проведение инструментальных наблюдений за сдвижением горных пород при разработке крутопадающих рудных месторождений, их анализ и обобщение.

2. Реализация модели среды с дилатансией, описывающей сдвижения горных пород по системам трещин в методе дискретных элементов.

3. Численное моделирование влияния различных факторов на процесс сдвижения скального трещиноватого массива.

4. Многовариантное численное моделирование отработки рудных месторождений и прогноз изменения параметров процесса сдвижения скального структурно-неоднородного массива и земной поверхности при отработке запасов руды на исследуемых месторождениях.

Методы исследований включали проведение и последующий анализ инструментальных наблюдений, аналитические и численные методы для моделирования процессов деформирования горных пород, статистическую обработку результатов измерений и расчетов.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Сдвижения земной поверхности и массива горных пород на рудных месторождениях, сложенных скальными структурно-неоднородными породами, носят дискретный пространственно-временной характер, выражающийся в возникновении концентрированных горизонтальных и вертикальных деформаций, активизирующихся в отдельные временные периоды.

2. Учет влияния трещиноватости на сдвижение массива скальных пород обеспечивается численной реализацией полной диаграммы деформирования блочного массива по системе трещин.

3. Геомеханическая дискретная модель скального структурно-неоднородного массива, позволяющая описывать большие деформации и дискретный характер процесса сдвижения.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом инструментальных наблюдений, использованием общепризнанных механических моделей массива горных пород, проведением проверочных тестовых расчетов, хорошей сходимостью рассчитанных и замеренных сдвижений для различных горнотехнических ситуаций.

Научная новизна работы:

1. Установлены закономерности распределения величин сдвижений и деформаций подрабатываемых скальных трещиноватых массивов рудных месторождений.

2. Разработана численная процедура реализации в методе дискретных элементов упруговязкопластической модели деформирования контакта с использованием полной диаграммы деформирования и критерия разрушения Джагера.

3. Обоснованы методические подходы, позволяющие описывать большие деформации при прогнозе параметров процесса сдвижения скальных трещиноватых крупномасштабных массивов.

Практическая значимость:

1. Экспериментально установлены угловые и линейные параметры процесса сдвижения горных пород и земной поверхности при разработке Тишинского и Риддер-Сокольного полиметаллических месторождений ОАО «КАЗЦИНК» Республики Казахстан.

2. Выявлены характер и степень влияния различных факторов (модуль упругости, расстояние между трещинами и угол их наклона, контактные характеристики трещин, исходное напряженное состояние) на величины сдвижений и деформаций подрабатываемого скального массива.

3. Осуществлен прогноз сдвижений и деформаций массива пород при отработке рудной залежи Тишинского месторождения до 20-го горизонта.

4. Математическим моделированием обоснована возможность практического применения искусственно созданной щели для управления сдвижением массива с целью защиты охраняемых сооружений на поверхности.

Реализация работы. Результаты данного диссертационного исследования использованы для прогноза сдвижений и деформаций и выбора мер охраны на Тишинском месторождении.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены на всероссийской конференции «Геомеханика в горном деле», проводимой в рамках III Уральского горнопромышленного форума (Екатеринбург, 2009 г.), международной конференции «Современные проблемы геомеханики, горного производства и недропользования» (Санкт-Петербург, 2009 г.), всероссийской конференции «Новые технологии в маркшейдерии и недропользовании» (Пермь, 2010 г.), научно-технических семинарах кафедры Маркшейдерского дела, геодезии и геоинформационных систем ПНИПУ.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 работ, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем работы и ее структура. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 139 страниц машинописного текста, включая 59 рисунков, 8 таблиц и список использованной литературы из 111 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Шустов, Денис Владимирович

выводы

1. Выполненные расчеты параметров процесса сдвижения массива горных пород и земной поверхности при отработке Тишинского месторождения свидетельствуют о том, что отработка рудного тела до 20 горизонта приведет к возникновению сравнительно невысоких дополнительных значений горизонтальных и вертикальных сдвижений и деформаций массива горных пород и земной поверхности.

Величины прироста оседаний земной поверхности в районе устья ствола «Вентиляционная» составит: при расчете методом дискретных элементов Дг| = 240мм, а горизонтальных сдвижений - = 670мм и при расчете методом конечных элементов Аг\ = 270мм, Д£, = 390мм. Однако наибольшую опасность представляют горизонтальные и вертикальные деформации массива горных пород в районе ствола. Результаты расчетов дают концентрацию как горизонтальных деформаций растяжения, так и вертикальных деформаций сжатия между 8 и 14 горизонтами, превышающую допустимые для крепи ствола значения. Так прирост горизонтальных деформаций растяжения на уровне 8-14гор. составит 0,4-0,7мм/м.Если в настоящее время горизонтальные деформации земной поверхности в районе ствола составляют 0,5-1,0мм/м, то такой прирост может привести к возникновению опасных деформаций крепи ствола. Данный вывод обязывает соответствующие службы Тишинского рудника внимательно отнестись к крепи и к состоянию ствола в целом на указанных глубинах. При появлении признаков деформации крепи и армировки ствола следует оборудовать наблюдательные станции для контроля горизонтальных и вертикальных деформаций.

Зона плавных сдвижений и, возможно, зона опасных деформаций при отработке рудного тела до 20 горизонта захватит ствол и сооружения околоствольного комплекса, однако величины деформаций, хотя и могут превысить допустимые значения для подрабатываемых объектов значения, при своевременном контроле их развития и применении конструктивных мер охраны ствола, не должны привести к выводу ствола шахты и сооружений подъемного комплекса из эксплуатации.

2. Как показали сравнительные расчеты метод дискретных элементов дает более достоверные величины сдвижений и деформаций нежели метод конечных элементов при расчете подрабатываемых рудных месторождений. Средне-квадратическая ошибка расчета МДЭ в 2 - 5 раз меньше СКО расчета методом конечных элементов. Этим обосновывается третье защищаемое положение.

3. Результаты выполненного математического моделирования на Риддер-Сокольном месторождении четко показывают, что при отсутствии щели в случае отработки всего целика горизонтальные деформации растяжения в районе стволов достигли бы 2,3мм/м, а на глубине 25м порядка Змм/м. Такие деформации растяжения однозначно привели бы к нарушению нормальной эксплуатации стволов.

Максимальные деформации растяжения поверхности и массива горных пород в районе стволов при наличии щели составляют в пределах 1.5 мм/м. В районе щели наблюдается концентрация горизонтальных деформаций, которая на поверхности составляет свыше 4мм/м. Эти расчеты хорошо подтверждают разгрузочную функцию щели. Становится ясным, что при отказе от создания щели в 1991 г выемка запасов предохранительного целика однозначно привела бы к нарушению нормальной эксплуатации шахтных стволов и сооружений околоствольного комплекса. Т.е. щель выполняет свою функцию защиты подрабатываемых стволов шахт №3 и Вентиляционная и ее создание позволяет расконсервировать запасы руды из предохранительного целика.

Т.о. можно утверждать, что отработка запасов предохранительного целика до отметки 730м (т.е. первой и второй очередей) не приведет к нарушению нормальной эксплуатации стволов шахт №3 и Вентиляционная и это становится возможным благодаря созданию щели. Однако эти границы отработки являются предельными, их превышение уже недопустимо.

4. Возможность моделирования подобного рода задач появилась лишь с развитием метода дискретных элементов, позволяющего задавать в массиве поверхности раздела, деформирование которых происходит по определенным законам, наиболее подходящим для данного вида задач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе рассмотрен круг вопросов, касающихся применения методов конечных и дискретных элементов для прогноза сдвижений и деформаций подрабатываемых скальных массивов рудных месторождений с целью выбора мер охраны объектов от вредного влияния горных работ, обеспечения полноты и эффективности отработки запасов.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Инструментальными наблюдениями установлено, что при разработке Тишинского и Риддер-Сокольного месторождений процесс сдвижения развивается дискретно как во времени, так и в пространстве, т.е. инструментальные наблюдения подтвердили первое защищаемое положение. На месторождении образуются зоны провалов, трещин, опасных деформаций и плавных сдвижений.

2. Для выяснения характера и степени влияния упругих и прочностных свойств массива и трещин на величины и характер сдвижений подрабатываемого массива был разработан и реализован в программе ЗЭЕС алгоритм учета деформирования по системам трещин в допредельной и запредельной стадиях и решена тестовая задача - расчет сдвижений и деформаций при создании строительного котлована в трещиноватом скальном массиве. Установлено, что для расчета сдвижений земной поверхности и массива горных пород следует использовать численную реализацию полной диаграммы деформирования массива по системам трещин с критерием разрушения Джагера, т.к. в нем используются традиционные характеристики прочности горных пород, получаемые при геомеханических испытаниях. Этими расчетами было подтверждено второе защищаемое положение.

3. Проведены расчеты сдвижений земной поверхности и горных пород на Тишинском руднике методом конечных элементов и методом дискретных элементов. Установлено, что использованная модель деформирования скального массива с учетом допредельной и запредельной стадий деформирования по системам трещин, реализованная в МКЭ, хорошо работает в части мульды сдвижения, ограниченной углом сдвижения. В части мульды, определяемой углом сдвижения и углом обрушения, т.е. там, где сосредоточены наиболее опасные для подрабатываемых объектов деформаци, она дает исключительно заниженные значения оседаний и горизонтальных сдвижений и, соответственно, горизонтальных и вертикальных деформаций. В связи с этим для прогноза сдвижений в этой части мульды сдвижения рекомендуется использовать метод дискретных элементов. Тем самым подтверждается третье защищаемое положение. В целом метод дискретных элементов с использованием реализованной геомеханической модели среды с дилатансией дает результаты в 2 - 5 раз более достоверные при сравнении с измеренными величинами сдвижений в мульде, чем метод конечных элементов с аналогичной геомеханической моделью.

4. На основе реализованного в программном комплексе ЗЭЕС алгоритма учета деформирования по системам трещин в допредельной и запредельной стадиях был выполнен прогноз сдвижений и деформаций массива горных пород и земной поверхности при отработке Тишинского месторождения до 20 горизонта. Установлено, что отработка залежи на Тишинском месторождении от 14 до 20 горизонтов не приведет к появлению деформаций ствола "Вентиляционный", которые приведут к нарушению его нормальной эксплуатации.

5. На основе реализованного в программном комплексе ЗБЕС алгоритма учета деформирования по системам трещин в допредельной и запредельной стадиях выполнены проверочные расчеты возможности управления сдвижениями массива созданием искусственной щели на рудных месторождениях. Выявлено, что данная мера эффективна для охраны ответственных сооружений, расположенных вблизи подрабатываемых бортов карьеров, а метод дискретных элементов пригоден для выполнения подобного вида расчетов.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Шустов, Денис Владимирович, Пермь

1. Авершин С.Г. Горные работы под сооружениями и водоемами.- М.: Уг-летехиздат, 1954. 323с.

2. Авершин С.Г. Некоторые свойства процессов сдвижения горных пород и вопросы расчета сдвижений// Труды ВНИМИ.- Л, 1961.-№43.- с.3-21.

3. Авершин С.Г. Расчет деформаций массива горных пород под влиянием подземных разработок.- Л.: ВНИМИ, i960.- 87с.

4. Акимов А.Г. Влияние трещиноватости массива на сдвижение горных пород при подземной разработке рудных месторождений // Труды ВНИМИ.-Л.,1961, с.32-45.

5. Акимов А.Г. Зависимость величин углов сдвижения от степени подра-ботанности земной поверхности // Труды ВНИМИ.-Л.,1964.-№>2. -с.99-104.

6. Акимов А.Г. Определение величины угловых параметров сдвижения на рудных месторождениях // Горный журнал.-1965.-.№2.-с. 63-67.

7. Акимов А.Г., Хакимов Х.Х. Обеспечение безопасной эксплуатации шахтных стволов. М.: Недра. 1988. - 216 с.

8. Андронова В. А. Анализ напряженно-деформированного состояния сложных регулярных стержневых конструкций, контактирующих с агрессивной средой, с использованием метода дискретных конечных элементов.: Автореф. дис. канд. тех. наук. Череповец, 1998. - 28с.

9. Ю.Ашихмин С.Г. Расчеты сдвижений и деформаций подрабатываемых скальных массивов рудных месторождений методом конечных элементов: Дис.канд.т.ех.наук./Перм.гос.тех.ун-т. -.Пермь., 1995 145.С.

10. П.Барях А. А., Стажевский С. Б., Тимофеев Е. А., Хан Г. Н. О деформированном состоянии породного массива над карстовыми пустотами. // ФТПРПИ, 2008, №6, С.3-12.

11. Барях A.A. деформирование и разрушение соляных пород и массивов: Автореф. дис.док.тех.наук Новосибирск, 1993 - 37 с.

12. И.Борщ-Компониец В.И., Макаров А.Б. Горное давление при отработке мощных пологих рудных залежей.- М.: Недра,1986.-271с.

13. Виттке В. Механика скальных пород. М.:Недра, 1988.-439с.

14. Временные правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок месторождений руд цветных металлов с неизученным процессом сдвижения горных пород. -Л.: ВНИМИ. -1986. 76с.

15. Геомеханическая оценка состояния ответственных сооружений Тишинского месторождения на основе определения природного и техногенного полей напряжений. Отчет о НИР // ПермГТУ; Руководитель работы Кашников Ю.А., Пермь, 2003г. 79с.

16. Дорофеенко С. О. Моделирование сыпучих сред методом дискретных элементов: Дис. канд. физико-матем. наук/ Институт проблем химической физики РАН Черноголовка, 2008 114 с.

17. Ержанов Е.С. К теории сдвижения горных пород рудных месторождений // Труды ВНИМ,- Л., 1950. ЛВ2,- с.414-422.20.3емисев В.Н. Расчеты деформаций массива горных пород.- М.: Недра. -1973. 144с.

18. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений.- М.:Недра, 1988. 112с.

19. Исследование и оценка динамических форм проявления горного давления на Тишинском месторождении ниже 10 горизонта: Отчет о НИР. Шифр темы 6-99-018. - Усть-Каменогорск, 1999. - 57 е. (.ВНИИцветмет).

20. Исследование проявлений горного давления на нижележащих горизонтах Тишинского месторождения и районирование горных пород по устойчивости с целью повышения безопасности отработки: Отчет о НИР/.ВНИИЦветмет, Рук. Крахин Н.С., Усть-Каменогорск, 1983.

21. Кашников Ю.А Деформирование породного массива в окрестности отрабатываемого рудного тела // Изв. вузов. Горный журнал.-1986,- №7.- с.43-51.

22. Кашников Ю.А. Анализ распределения напряжений и деформаций в подрабатываемых породах на основе расчета по программе "FEST-03".- Горный журнал.- 1993.-№12,- с.45-48.

23. Кашников Ю.А. О закономерностях сдвижения массива пород при разработке мощных крутопадающих рудных тел. В сб.: Совершенствование методов и.средств производства маркш.-.геод.работ. Л.:.ЛГИ.-1987. -.е. 16-19.

24. Кашников Ю.А. Сдвижение горных пород при подземной разработке мощных крутопадающих рудных тел сложной формы.: Дисс. канд. техн. наук. -Свердловск, 1982. 183с.

25. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья. М.: Недра, 2007. - 486с.

26. Кашников Ю.А., Кутовой С.Н. О параметрах призм сдвижения трещиноватого массива пород висячего бока рудных месторождений// Изв.вузов. Горный журнал.-1989.

27. Кашников Ю.А., Якушина Е.М., Ашихмин С. Г. Деформирование скального массива по системам трещин.//' Изв.вузов. Горный журнал. -1992. -№2.

28. Квочин В.А Управление сдвижением и удароопасностью массива горных пород при разработке железорудных месторождений Сибири на основе изучения их геодинамики: Дис.док.тех.наук. Новокузнецк,.2000. - 78 с.

29. Клишин В. И., Клишин С. В. Исследование процессов выпуска угля при отработке мощных пологих и крутых угольных пластов.// ФТПРПИ, 2010, №2, С.69-81

30. Клишин C.B. Применение метода дискретных элементов при анализе гравитационного движения гранулированного материала в сходящемся канале// Горный информационно-аналитический бюллетень.(научно-технический журнал), 2009, №12, С.273-277.

31. Кратч Г. Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых сооружений.- М.: Недра, 1978. 494с.

32. Крушатин Р.Ф. Исследование процессов сдвижения горных пород при отработке слепых залежей на уральских меднорудных месторождениях.: Авто-реф. Дисс.канд.техн.наук,- Свердловск, 1969.-. 19с

33. Кузнецов М.А., Кузнецова Е.И., Громов В.В. Прогнозирование характера и параметров процесса сдвижения горних пород на рудных месторождениях / Горный журнал.- 1977.-№.-9.с.65.-69.

34. Куликов В.В. Совместная и повторная разработка рудных месторождений. М.: Недра, 1971. - 328с.

35. Курленя М.В., Миренков В.Е. Методы расчета подземных сооружений.- Новосибирск, Наука, 1986. 211с.

36. Левкин Ю.М., Иофис И.М. Взаимодействие крепи выработки с подработанным породным массивом. // Геомеханика, 2003.

37. Лобанова Т.В. Разработнка научно-методических основ геомеханического обеспечения подземной отработки железорудных месторождений Сибири в геодинамически активном регионе.: Дис.док.тех. наук. -.Новосибирск, 2009 323 е.

38. Макаров А.Б. Практическая геомеханика. Пособие для горных инженеров М.: Горная книга, 2006. - 391с.

39. Мартынов Ю.И. Управление деформированием подрабатываемого массива горных пород глубокими щелями.-М.:Стройиздат, 1983.- 116с.

40. Мартынов Ю.И., Красовский А.Н. Расчет деформаций и сдвижений пород над горизонтальными выработками // Труды ВИОГЕМ, 1972, вып. 17. -с.24-29.

41. Модели скальных массивов и алгоритмы решения задач механики горных пород / Кузнецов СВ., Одинцов В.Н., Слоним М.А. и др.// Технико-экон. эффективн. комплексного освоения месторождений.-.: МПКОН АН СССР, 1987. -C.I68-181.

42. Муллер P.A. О некоторых диффренциальных и интегральных свойствах кривых оседаний и горизонтальных сдвижений мульды сдвижения // ФТПРПИ, 1981. №2.-с. 129-132.

43. Ноек Е, Bray J.W. Rock slope engineering.- Inst. Mining and Metallurgy, London.- 1981.

44. Ножин А.Ф., Зотеев В.Г. Расчет НДС трещиноватого скального массива вокруг горных выработок // ФТРПИ, 1978.-№5. с.9-14.

45. Правила охраны сооружений и объектов от вредного влияния подземных разработок на месторождениях руд цветных металлов. -Л: ВНИМИ (проект).-1991.

46. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных работ в Криворожском железорудном бассейне. -Л.: ВНИМИ, 1975.- 65с.

47. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных работ при разработке меднорудных месторождений Урала.- М.: Недра.- 1978,- 31с.

48. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. М.:Недра, 1981.-288с.

49. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на месторождениях руд черных металлов Урала и Казахстана. Свердловск: ИГД МЧМ СССР.-1990.

50. Сашурин А.Д. Особенности процесса сдвижения горных пород в условиях тектонических напряжений железорудных месторождений // Горный журнал. 1980. - М. - с.47 - 49.

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

52. Сашурин А.Д., Беркутов В.А., Храмцов Б.А. О мерах по охране стволов шахты "Северопесчанская" от подработки // Горный журнал. 1979. - .№5. -с.34-36.

53. Сашурин А.Д.,Беркутов В.А., Бекселев АЛИ. Расчет горизонтальных деформаций земной поверхности вокруг провалов на железорудных месторождениях." В кн.: Подземная разработка мощных рудных месторождений. -Свердловск, 1979. с.36-45.

54. Сдвижение горных пород на рудных месторождениях / Кузнецов М.А, Акимов А.Г., Кузьмин В.И. и др М.: Недра, 1971.-224с.

55. Смирнов А.Ф. О возможности предрасчета углов разрывов на рудных месторождениях // Труды ВНИМИ.-Л.,1964,№53.-с.239-251.

56. Смирнов А.Ф. Предрасчет углов разрывов для условий Кривбасса. // Горный журнал.- 1980.-Ш.-С. 52-54.

57. Современные проблемы механики скальных пород в энергетическом строительстве. М.:Энергоиздат, 1986. 302с.

58. Теоретические методы расчета сдвижений и деформаций земной поверхности, вызванных подземными горными работами.// Муллер P.A., Петухов И.А. и др. М.: ЦНИЗИуголь, 1977.- с.4-17.

59. Указания по охране сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на полиметаллических месторождениях Лениногорского горно-обогатительного комплекса ОАО «.КАЗЦИНК.». Усть-Каменогорск. 2001г. - 54с.

60. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.:Недра, 1987.-221с.

61. Хан Г.Н. Исследование процесса обрушения смерзшейся породы методом дискретных элементов // Материалы 3-й Межд. конф. "Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых",.-.Новосибирск: Изд-во ИГД СО РАН, 2003. с.98-103.

62. Хан Г.Н. О несимметричном режиме разрушения массива горных пород в окрестности полости. // Физическая мезомеханика, 2008, №1, С.109-114.

63. Хрисчев Г., Мотов К., Георгиев К. Опазване на сьорьженията и обек-тите от вредното влияние на подземните минни работа.- София, Техника.-1978.— 268с.

64. Черный Г.И. Определение величин оседаний и деформаций земной поверхности при сдвижении пород в форме реологического течения // Изв. вузов. Горный журнал.- 1966.- №7.- с.3-9.

65. Черный Г.И. Устойчивость подрабатываемых бортов карьеров.- М.: Недра, 1980. 216с.

66. Шадрин А.Г. Теория и расчет сдвижений горных пород и земной поверхности.- Красноярск: изд-во Красноярского ун-та.-1990.-200с.

67. Юнаков Ю.Л. Исследование сдвижения горных пород и устойчивости горных выработок при комбинированном способе отработки месторождений: Автореф. Дисс канд.техн.наук.- Караганда.- 1980.

68. Andersson, J. and Dverstop, В., Conditional simulations of fluid flow in three-dimensional networks of discrete fractures. Water Resources Research, 1987;23(10): 1876-1886.

69. Ante Munjiza, The Combined Finite-Discrete Element Method Wiley, 2004.

70. Barbosa, R. and Ghaboussi, J., Discrete finite element method Proc. 1st US Conf. on Discrete Element Methods, Golden, Colorado, 1989.

71. Burman, В. C, A numerical approach to the mechanics of discontinua. Ph.D. Thesis, James Cook University of North Queensland, Townsville, Australia, 1971.

72. Byrne, R. J., Physical and numerical model in rock and soil-slope stability. Ph.D. Thesis, James Cook University of North Queensland, Townsville, Australia, 1974.

73. Chappel, B. A., The mechanics of blocky material. Ph.D. Thesis, Australia National University, Canberra, 1972.

74. Charlaix, E., Guy on, E. and Roux, S., Permeability of a random array of fractures of wisely varying apertures. Transport in Porous Media, 1987;2(1):31-43.

75. Cundall, P. A. and Hart, R. D., Numerical modelling of discontinua. Keynote lecture. Proc. 1st US Conf. on Discrete Element Methods, Mustoe, G. G. W., Henriksen, M. and Huttelmaier,.Golden, Colorado, USA, 1989.

76. Cundall, P. A. and Strack, O. D. L., A discrete numerical model for granular assemblies. Geotechnique, 1979a;29(l):47-65.

77. Cundall, P. A., A computer model for simulating progressive, large scale movements in blocky rock systems. Proc. Int. Symp. Rock Fracture, ISRM, Nancy, Vol. 1, PaperII-8, 1971.

78. Cundall, P. A., Adaptive density-scaling for time-explicit calculations Proc. 4th Int. Conf. on Numerical Methods in Geomechanics, pp. 23-26, 1982.

79. Dershowitz, W. S. and Einstein, H. H., Three-dimensional flow modelling in jointed rock masses. In: Herget, G. and Vongpaisal, S. (eds), Proc. of 6th Cong. ISRM, Montreal, Canada, Vol.1,.-87.92,.1987.

80. Elsworth, D., A hybrid boundary-element-finite element analysis procedure for fluid flow simulation in fractured rock masses. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 1986b; 10(6):569-584.

81. Endo, H. K., Long, J. C. S., Wilson, C. K. and Witherspoon, P. A., A model for investigating mechanical transport in fractured media. Water Resources Research, 1984;20(10): 1390-140.0.

82. Goodman, R. E., Methods of geological engineering in discontinuous rocks. West Publishing Company, San Francisco, CA, 1976.

83. Itasca (2007). Itasca Software Products 3DEC. Itasca Consulting Group Inc.: Minneapolis.

84. Jaeger G.C. Friction of Rocks and stability of rock slopes. Geotechnique 21/2(1971).95Jantson F. Die Syarmungsverteilimg in kreisformigen Schachtzonen unter Beruckaichtiguag elastichen Gebirgsver-haltens. Diss. Aachen, 1966.- 191s.

85. Jing L., Stephansson O. Fundamentals of Discrete Element Methods for Rock Engineering. Elsevier Science, 2002. - 450 c.

86. Jing, L., A review of techniques, advances and outstanding issues in numerical modelling for rock mechanics and rock engineering. International Journal of Rock Mechanics and Mining.Sci.enc.es,.200.3;40(3):283-353.

87. Leichnitz W. Mechanische Eigenschaften von Felstrennflachen im direkten Scherversuch. Veroeff.des Instfuer Bodenmechanik und Felsmechanik der TH Karlsruhe, Heft 89.-1981.

88. Long, J. C. S., Gilmour, P. and Witherspoon, P. A., A model for steady fluid flow in random three dimensional networks of disc-shaped fractures. Water Resources Research, 1985;21(8):.l 10.5-1.115.

89. Pande, G., Beer, G. and Williams, J.R., Numerical Modeling in Rock Mechanics, John Wiley and Sons, 1990.101 .Robinson, P. C., Flow modelling in three dimensional fracture networks. UK AEA Harwell, AERER 11965, 1986.

90. Salamon M.D.G. Elastic modul of a stratified rock mass: Int. J. Rock Mech. Min. Sci., (5), 1968.- 519-527.

91. Salamon M.D.G. Rock mechanics of underground excavations: Proc. 3rd Congr. Int. Soc. Rock Mech. (1 ), 1974, Part B, Denver.-951-1099.

92. Shi, G., Discontinuous deformation analysis a new numerical model for statics and dynamics of block systems. Ph.D. Thesis, University of California, Berkeley, CA, 1988.

93. Smith, L. and Schwartz, F. W., An analysis of the influence of fracture geometry on mass transport in fractured media. Water Resources Research, 1984;20(9): 1241-1252.

94. Tsang, Y. W. and Tsang, C.-F., Channel model of flow through fractured media. Water Resources Research, 1987;22(3):467^179.

95. W.Wittke. Rock Mechanics. Teory and Applications with Case Histories. Sprlnger-Verlag.