Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Изучение напряженного состояния массива горных пород и методы определения допустимых параметров систем разработки золоторудных месторождений

22.01.2020

Классификация методов изучения напряженного состояния горных пород, изложенных в книгах А.А, Кораблева, Г.И. Кузнецова, Н.П. Влоха, А.Д. Сатурика, М.В. Курдени, B.C. Ямщикова и других ученых, представлена на рис. 6.5.

Среди теоретических методов выделяют аналитические, численные и инженерные.

Аналитический метод основан на представлении о породном массиве как о сплошной среде, что позволяет использовать в расчетах напряженного состояния общие принципы механики сплошных сред и математический аппарат дифференциального и интегрального исчислений. Решение задач аналитическим методом предполагает также связи между напряжениями и деформациями в массиве, что позволяет использовать положения теории упругости и теории пластичности.

Численные методы основаны на представлении о породном массиве как о дискретной среде, состоящей из отдельных частиц, каждая из которых имеет все свойства среды. Среди численных методов наиболее известны: метод конечных разностей (MKP), метод конечных элементов (МКЭ), метод граничных элементов (МГЭ).

Инженерные методы основаны на совмещении теоретических решений с данными экспериментальных исследований, позволяющих вводить поправочные коэффициенты, дополняющие и корректирующие математическую модель.

Экспериментальные методы подразделяются на две большие группы - лабораторные и производственные (натурные). В комплексе с аналитическими и экспериментальными лабораторные методы имеют большое значение в изучении напряженного состояния горных пород, так как позволяют проверить и уточнить принципиальные положения аналитических расчетов, сузить область исследований в натурных условиях. Они подразделяются на методы оптического, центробежного, электроаналогового моделирования и метод эквивалентных материалов. Производственные экспериментальные методы включают в себя механические и геофизические. Механические методы основаны на измерении процесса деформирования горных пород, а физические (геофизические) - на измерении изменений физических свойств горных пород (акустических, электрических, тепловых, магнитных и др.).

На золотодобывающих рудниках для исследований напряженного состояния горных пород применяются следующие методы:

- численные (метод граничных интегральных уравнений);

- лабораторные (метод эквивалентных материалов, оптическое моделирование);

- экспериментальные механические (методы частичной и щелевой разгрузок, датчики напряжений и др.);

- экспериментальные геофизические (акустический, сейсмический, электромеханический и др.).

Указанные методы применяются, как правило, в комплексе друг с другом. Их комплексное использование обусловлено общим подходом к изучению напряженно-деформированного состояния горных массивов. Сначала определяют первоначальные напряжения горного массива месторождений, прочностные и упругие свойства пород. Затем, принимая результаты этих исследований в качестве граничных условий, изучают закономерности перераспределения первоначальных напряжений вокруг выработок и очистных камер с использованием методов моделирования. На основе выявленных закономерностей напряженно-деформированного, состояния (НДС) подрабатываемого массива и целиков обосновываются и применяются определения рациональных параметров конструктивных элементов систем разработки, оценивается их устойчивость и потенциальная ударо-опасность. Параллельно с этими исследованиями или после их выполнения проводят натурные определения НДС в горных выработках и целиках, сравнивают величины фактических напряжений в них с данными моделирования и оценивают соответствие принятой физико-математической модели состоянию реального массива. После чего производят корректирование принятых методик расчета рациональных параметров конструктивных элементов систем разработок.

Следует отметить, что при оценке потенциальной ударо-опасности горных выработок и целиков исследования проводят другим способом, в большей степени полагаясь на натурные определения НДС (см. разд. 6.6).

Первоначальные напряжения в горных массивах золоторудных месторождений определяли с использованием методов частичной и щелевой разгрузок по методикам, разработанным в Институте горного дела б. Минчермета СССР (Н.П. Влох, А.Д. Сатурин).

При методе частичной разгрузки на поверхности выработки устанавливают тензометрические приборы в виде равносторонней треугольной розетки. В центре розетки бурят скважину. Скважина разгружает массив, что дает возможность установить значения и направления главных действующих напряжений. Метод разгрузки массива целесообразно применять в крепких монолитных горных породах.

Следует отметить, что при измерении напряжений по методу с частичной разгрузкой массива получается большой разброс данных из-за влияния мелкой трещиноватости, так как база измерения мала (3-5 см).

Меньший разброс данных при базе измерений 30 см достигается при определении напряжений по методу щелевой разгрузки. Оценка действующего напряжения в элементе массива производится посредством изменения его напряженного состояния при создании щели и измерения при этом деформаций распорных реперов, установленных перпендикулярно этой общей щели. В практике применяют вариант щелевой разгрузки, изображенный на рис. 6.6.
Изучение напряженного состояния массива горных пород и методы определения допустимых параметров систем разработки золоторудных месторождений

В боку выработки бурят шпур глубиной 15 см, диаметром 4 см и устанавливают специальный шаблон, который закрепляют в шпуре с помощью конуса через крайнее отверстие. Через второе крайнее отверстие бурят второй шпур такой же глубины и шаблон закрепляют вторым конусом. Затем бурят два отверстия диаметром 2 см для распорных реперов (точки А и В) на расстоянии 20 см друг от друга также по специальному шаблону. После этого в отверстиях устанавливают распорные репера и с помощью микрометра (точность 0,01 мм) измеряют расстояния между ними. Убрав измерительный инструмент, попарно бурят шпуры через специальные отверстия первого шаблона, изменяя глубину шпуров так, чтобы щель имела форму полудиска радиусом R = 30 см. Оставшиеся перемычки разбивают специальным пробойником. После этого снова измеряют расстояния между реперами и вычисляют деформацию щели как разницу между двумя замерами.

Напряжения, действующие на обнажении перпендикулярно щели о/, вычисляются по формуле

где UAB - деформация участка AB после образования щели, см; E - модуль упругости массива горных пород, МПа; R - половина длины щели, см; l - расстояние между центрами отверстий для установки реперов, см; K/(/)ср и К//(//)ср - средние значения коэффициентов концентрации напряжений на участках OA и OB в направлениях соответственно перпендикулярно и параллельно щели; u - коэффициент Пуассона.

Для измерения напряжений выбирают участки в двух взаимно перпендикулярных выработках с монолитными слаботрещиноватыми породами (рис. 6.7). Как правило, в штреке измеряют напряжения, действующие по простиранию рудною тела опрі (вертикальные разгрузочные щели), и вертикальные овпрі (горизонтальные разгрузочные щели). В квершлаге - напряжения, действующие вкрест простирания рудного тела опі (вертикальные разгрузочные щели), и вертикальные овпі (горизонтальные разгрузочные щели).

Вертикальные ов напряжения в массиве горных пород вычисляют по формулам

где опі, опрi, овпрі, овпі - напряжения в і-й точке, МПа; Кп, Кв(пр), Кпр, Кв(п) - коэффициенты концентрации напряжений.

Для дальнейших расчетов принимаем

где ов.пр - среднее значение вертикальных напряжений массива горных пород, МПа.

Продольные опр и поперечные оп напряжения в массиве горных пород определяют по следующим формулам:

где ов.српр и ов.срп - средние значения вертикальных напряжений, измеренных на боках соответственно штрека и квершлага, МПа.

Методы частичной и щелевой разгрузок сравнительно нетрудоемки, оперативны, позволяют получить достаточно надежные результаты и поэтому широко используются на золоторудных месторождениях.

Для изучения закономерностей НДС горных массивов применяют моделирование на эквивалентных материалах, оптическое и математическое.

Моделирование методом эквивалентных материалов основано на замене естественных горных пород натуры такими искусственными материалами в модели, показатели физико-механических свойств которых находятся в определенных соотношениях с аналогичными показателями тех же свойств породы натуры.

Эти соотношения определяются на основании общих положений теории механического подобия и обеспечивают достижение близкой аналогии в протекании геомеханических процессов, проходящих в натуре и модели под действием гравитационных сил.

Метод эквивалентных материалов позволяет воспроизводить в модели различное строение толщи пород и полезного ископаемого и осуществлять в достаточном приближении к натурным условиям производство всех основных горнотехнических операций по выемке полезного ископаемого и креплению выработок.

Модели изготовляют на испытательных стендах, представляющих собой жесткие рамные металлические конструкции, или применяют поворотные стенды.

В качестве материала используют песчано-парафиновые смеси. Моделирование производится по методике ВНИМИ (Г.И. Кузнецов, М.Н. Будько, Ю.В. Васильев и др.).

Оптическое моделирование позволяет устанавливать распределение и значения напряжений в массивах пород и элементах сооружений любой конфигурации, когда деформации модели происходят без разрыва сплошности. Метод основан на свойстве большинства прозрачных изотропных материалов, называемых оптически чувствительными, при приложении механических нагрузок приобретать оптическую анизотропию и проявлять способность двойного лучепреломления. Луч света, проходя через прозрачную кристаллическую среду, распадается на две взаимно перпендикулярные плоскополяризованные составляющие, распространяющиеся внутри среды с различной скоростью. При этом плоскости поляризации лучей, распространяющихся в нагруженной пластинке, совпадают с плоскостями главных напряжений о1 и о2. Отставание одного луча от другого (линейная разность хода лучей D , пропорционально разности коэффициентов преломления и толщине пластинки d

где n1 и n2 - коэффициенты преломления соответственно до начала и после загрузки модели; с - относительный оптический коэффициент напряжений материала модели.

В соответствии с методикой оптического моделирования в качестве материала для моделей используется оптически активный уретановый эластомер (резина) СКУ-10.

Процесс моделирования заключается в определении коэффициентов концентрации Кп напряжений на контуре камер и в целиках от действия вертикальных ов и горизонтальных ог единичных нагрузок. Нагружение модели производится специальным устройством. После нагружения модели с помощью шахтного полярископа измеряют разности хода поляризованного света в точках, расположенных на контуре камер Гк(п), и в точках массива модели Гm(e), (рис. 6.8). На основе полученных данных измерений вычисляют напряжения соответственно на контуре камер и в массиве модели om(e) по следующим формулам:

где с - оптическая постоянная материала модели, 1/МПа; t -толщина модели, м; п - 1, 2, 3 - номера точек измерений на контуре камер и в целиках; е - I, II, III - номера точек измерений в массиве модели.

Коэффициенты концентрации Kп определяют следующим образом:

где omCD - среднее значение напряжений в массиве модели.

По значениям коэффициентов концентрации определяют вертикальные составляющие вектора напряженности опн в исследуемых точках от совместного действия вертикальных и горизонтальных первоначальных напряжений (переход от модели к натуре):

где ов и ог - соответственно вертикальные и горизонтальные напряжения, измеренные в натуре вне зоны влияния горных работ, МПа.

По данным оптического моделирования можно оценивать НДС при сложных контурах одной или нескольких камер. Однако метод трудоемкий и не позволяет оперативно решать геомеханические задачи.

Поэтому в последние годы стало широко применяться математическое моделирование НДС численными методами с применением персональных компьютеров типа IBM-PC и др. Наибольшее распространение получил метод граничных интегральных уравнений. Исходными данными являются значения первоначальных напряжений горного массива и упругих свойств пород (Е,u), а также геометрическое положение горных выработок. Последнее вводится в память компьютера по координатам точек контура выработок. Существует программа "ELAST-2", разработанная в Институте горного дела CO АН РФ, по которой можно рассчитывать около 20 контуров различных выработок, а также учитывать влияние гористого рельефа земной поверхности. По программе определяются зависимости изменения основных геомеханических показателей подрабатываемого массива, целиков, горных выработок: среднего давления, объемной деформации, проекции вектора смещения на горизонтальную и вертикальную плоскости и др. Результаты расчетов ПЭВМ может печатать в виде таблиц или графиков. Анализ данных моделирования позволяет установить основные закономерности горного давления в целиках, боках выработок и камер, в подрабатываемом массиве и, в конечном итоге, оценить устойчивость и потенциальную удароопасность конструктивных элементов систем разработки.

Для оценки приращений напряжений в конструктивных элементах систем разработки применяют фотоупругие датчики горного давления, которые устанавливают в шпурах на глубину 0,5-1 м и закрепляют клеем на основе эпоксидных смол или цементно-песчаным раствором. Датчики имеют форму сплошного диска или диска с центральным отверстием. Изготовляют их из органического стекла, так как в органических материалах проявляются механическая и оптическая релаксации.

Измерения по фотоупругим датчикам производятся специальными полярископами типов ПШ-1, ПШ-2 или ОП-1, обеспечивающими дальность наблюдения в пределах 5 м. Чувствительность аппаратуры к измеренным относительным деформациям составляет 2*10в-5 при основной погрешности аппаратуры приблизительно 10 %.

При просвечивании с помощью полярископов фотоупругих датчиков белым поляризованным светом в нем возникает цветная картина изохром, пересекаемая темными линиями - изоклинами. Наблюдаемые в датчиках изохромы изоклины определяют величину направления главных деформаций и напряжений как в самом датчике, так и в горных породах, где он помещен. Измеренная полярископом относительная разность хода лучей поляризованного света Гп.с в датчике зависит от деформации датчика, связана в пределах упругости с разностью главных деформаций в фотоупругом тензодатчике и определяется по формуле

где tд - толщина датчика; Сд - оптический коэффициент напряжения для материала датчика; о1 и о2 - главные нормальные напряжения. На золотодобывающих рудниках применяют фотоупругие датчики из оптического стекла диаметром 36 мм и толщиной 1-3 см с центральным отверстием диаметром 5 мм. Датчики укрепляют в шпурах с помощью цемента. Наблюдения проводят по методикам, разработанным в ИГД черной металлургии и ИГД CO РАН.

Весьма перспективным для оценки напряженного состояния подрабатываемых горных массивов является метод профильных линий реперов. Сущность метода заключается в следующем. При подготовке блоков к очистной выемке в подходящих к ним горных выработках закладывают профильные линии реперов. Расстояние между реперами составляет 3-10 м. Профильные линии закладывают по простиранию и вкрест простирания залежи. В процессе выемки запасов происходят деформации массива, которые определяются маркшейдерскими инструментальными измерениями. Величины измеренных смещений реперов сравниваются со значениями деформаций, рассчитанными при математическом моделировании на ПЭВМ. Сравнительная оценка этих результатов позволяет уточнить математические и физические модели и привести их к более полному соответствию реальному массиву.

Сотрудниками Иргиредмета проводились измерения первоначальных напряжений горных массивов на Березовском, Дарасушском, Советском, Кочкарском, Кочбулакском и других месторождениях (табл. 6.4).

Анализ результатов измерений позволяет отметить, что первоначальное поле напряжений горного массива на золоторудных месторождениях значительно сложнее, чем теоретическое распределение напряжений по гипотезам А. Гейма и А.Н. Динника. Распределение измеренных напряжений хорошо согласуется с представлениями Н.П. Влоха, рассматривающего напряжения в массиве горных» пород как функцию его структурного строения. Суть этих представлений сводится к тому, что массив горных пород является неоднородным, состоящим из элементарных объемов (структурных блоков), каждый из которых несет в себе информацию структурных особенностей рассматриваемого массива и его напряженного состояния.

При оценке первоначального напряженного состояния необходимо исходить из порядка неоднородности структуры исследуемого участка. При определении напряжений небольшого участка (эксплуатационный блок), неоднородность которого связана со структурными блоками, ограниченными системами трещин, необходимо проводить серию измерений в пределах нескольких однородных структурных блоков.

Только средние значения из единичных измерений будут характеризовать напряженное состояние указанного участка данного порядка.

При оценке более крупного участка горного массива (например, шахтного поля) необходимо проводить серию измерений напряжений в структурных блоках, раскрывающих закономерность распределения напряжений в исследуемой части месторождения.

Для определения напряженного состояния всего рудного поля месторождения необходимо исследовать распределение напряжений в однородных структурных блоках большего порядка (ограниченных тектоническими структурами, порядок которых сопоставим с размерами рудного поля).

Напряженное состояние участков или всего рудного поля месторождения при невозможности выявления закономерности распределения напряжений по измерениям в структурных блоках первого и второго порядков на первом этапе можно характеризовать средними величинами напряжений этих блоков. В последующем, когда будут выявлены горные удары, конечно, эти средние величины требуется уточнить дополнительными специальными натурными исследованиями и геодинамическим районированием.

В участках рудного массива независимо от глубины могут наблюдаться напряжения различной величины, значительно отличающиеся от теоретических их значений. Причем напряжения горных пород могут достигать критических величин и вызывать проявления горного давления в динамической форме, т.е. горные удары.

В процессе отработки рудных тел напряжения рудного массива значительно возрастают. В зависимости от степени подработанности запасов различными системами разработки эти напряжения распределяются крайне неравномерно. Поэтому расчеты параметров целиков и решение других важнейших вопросов управления горным давлением должны производиться с учетом фактических напряжений.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: